Brevet FR2025100A1 — publié le 19700904

La présente invention concerne un procédé pour produire des diamants synthétiques0 Une étude systématique du carbone dans la littérature laisse apparaître une confusion complète0 Non seulement, il existe de nombreuses contradictions mais aussi un doute pour déterminer ce qui est un fait et ce qui est imaginés En réalité il peut être constaté que ni- le- graphite ni le diamant ne sont des formes allotropiques du carbone pur, La nature et l'iden tité du graphite naturel en tant que carbone & l'état élémentaire n'ont été établies qui la fin du Iville siècle quand Scheele, en le brûlant dans un courant d'oxygène a démontré sa teneur en carbone. Des constatations similaires peuvent être trouvées & peu près dans tous les textes relatifs au carbone.En recherchant ces références dans la littérature, il a été constaté que la dureté et la densité du graphite dépendent des textes pris en référencez Par exemple, la densité varie de 2,09 & 2,25 et la dureté de t A 20 Cela a conduit au cours des. recherches relatives à la présente invention & chercher pourquoi une forme allotropique d'une matière peut varier d'une façon aussi marquée si cette matière est réellement une matière ou un élément unique. Comme l'un des critères d'un état allotropique est l'aptitude au passage d'une forme à une autre, il est nécessaire de reconsidérer l'affirmation que le diamant devient du graphite & une certaine tempéra turne. Les expériences suivantes ont été faites au cours des études ayant conduit à la présente invention. Deux petits diamants ont été placés dans deux récipients identiques, sauf que l'un des récipients était en graphite commercial et l'autre en carbone vitreux0 Ces deux récipients étaient des cylindres creux avec des couvercles vissés, Ces récipients ont été chauffés lentement pour être maintenus à environ 17000C pendant 20 minutes et être refroidis lentemento Le temps de refroidissement jusqutA la température ambiante a été supérieur A deux heures.Le diamant contenu dans le récipient en carbone vitreux nga pas été affecté tandis que le diamant contenu dans le récipient en graphite a noirci nettement, en particulier aux points en contact avec les côtEs et le fond du récipient0 Cette même expérience a été répétée mais en élevant la température & BR Les utilisations du diamant sont bien connues et concernent des pierres de bijouterie et des pierres pour des paliers ainsi que pour la rectification et le polissage des surfaces dures0 La présente invention a pour objet un procédé pour produire des diamants synthétiques, le diamant pouvant être considéré comme ayant une structure de carbure déficient en métal0 Ce résultat est obtenu par l'introduction dans le carbone de métaux des groupes IVB, VB, et VIB, d'osmium, d'iridium et due platine, tous étant contenus dans une masse fondue métallique d'aluminiumy de lithium ou de zinc0 Les caractéristiques de Invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel La figure unique est une coupe schématique d2un four utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention0 La figure unique représente un enroulement de chauffage par induction 1 entourant un écran thermique en oxyde de béryllium 4, un élément chauffant en tantale 3 (les conducteurs électriques n'étant pas représentés), à coté dFun creuset en oxyde de beryllium 8 contenant une charge constituée par une masse dealliage d9etain et dvaluminium 7, du carbone vitreux 5 et le métal 6 choisi dans les groupes 4B, 5B et 6B ou parmi l'osmium, leiridium et le platine0 Une atmosphère inerte 2s par exemple dtargon, est maintenue dans la chambre formée par une enveloppe en quartz 10O Le creuset en oxyde de béryllium 8 est placé sur un bloc en carbone vitreux 9o Suivant un mode de mise en oeuvre préféré, en utilisant le four décrit ci-dessus, un mélange de carbone et de vanadium état de poudres, avec une porportion de 2,1 g de carbone pour 1,4 g de vanadiums est incorporé dans une masse d'alliage d'étain et dtaluminium ayant un rapport en poids de 10 g dgétain pour I g d'aluminium0 Cette masse dealliage d'étain et d'aluminium est placée dans le creuset en oxyde de béryllium placé sur un bloc de graphite d l'intérieur du four0 Une atmosphère inerte, par exemple d'argon, est établie dans la chambre dufour et la température est ensuite élevée & environ 16500Co A cette température élevée toute la masse forme une solution liquide, La température est ensuite maintenue à 16500C pendant 6 heures pour que tout carbure formé à des températures inférieures, ceest-àsdire en dessous de 11000C, soit décomposez A ce moment, des germes ou centres de cristaux de diamant sont formés dans la solution liquide et en utilisant des procédés connus de croissance des cristaux, des diamants se forment0 La durée de refroidissement dépend des dimensions desirees pour les diamants > la grosseur des diamants augmentant en règle générale avec loaugmentation-de la durée de refroidissement0 Il a été constaté qu'une durée de refroidissement de quatre heures au moins est nécessaire pour obtenir des diamants de dimensions utilisables. Ia masse refroidie est ensuite dissoute dans de la soude caustique, après quoi le résidu est lavé, filtré et lavé a nouveau, Après séchage, le résidu est traité avec de l'eau régale dans un récipient en polyéthylène. Le résidu est ensuite traité avec de veau oxygénée et de l'acide fluorhydrique. Lexamen du résidu montre des plaques hexagonales claires ou incolores rayant- le verre. Du tantale est choisi en tant que métal desire suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. Il a été constaté que 32,0 g de tantale sont approximativement leéquivalent de 2,1 g de carbone sur la base des poids moléculairesO Par suite, quand un mélange dans le rapport 2,1/32 est chauffé dans le four, il produit une poudre de carbure de tantale0 La densité du carbone vitreux est de 2,1 tandis que celle du diamant est de 3,50 La différence en grammes par centimètre cube est de 1,4 gramme, Par suite, le poids intéressant est la quantité de 1,4 g de tantale dans le mélange.Cela représente 4,3 % du tantale nécessaire pour former un véritable carbure, ctest & dire le carbure de tantale; cette quantité de tantale représente ainsi un carbure de tantale déficient. Suivant ce mode de mise en oeuvre de l'invention,1,4 g de poudre de tantale est placé dans le creuset d'alumine contenant une masse d'aluminium et 2,1 g de carbone vitreux. L'ensemble de ce mélange est porté à 16000C, est maintenu & cette température pendant 30 mn et est ensuite ramené & la température ambiante. Le mode de dissolution utilisé est le même que celui du premier mode de mise en oeuvre, Suivant un troisième mode de mise en oeuvre > du bore est utilisé à la place du tantale0 Le poids moléculaire du carbure de bore normal B4C est de 53,3.En suivant le mode de traitement utilisé dans le cas du tantale, 1,4 g de bore est placé dans un creuset en alumine, Le creuset est placé dans le four représenté sur la figure unique et la température est élevée & 16000C, et est maintenue à cette valeur pendant 30 mn, après quoi l'ensemble est refroidi lentement jusqu'à la température ambiante.A l'analyse il est constaté qutune réaction totale a eu lieu, ctest-à-dire qu'il n'existe pas de carbone libre, L'examen microscopique montre que la masse de cette charge est formée de cristaux noirs ayant la forme dsoctaddres tronquéso Ces cristaux fins essayés contre une plaque de verre rayent facilement-le verre, Les dimensions des cristaux sont celles d'abrasifs à polir c'est-à-dire d'un dia mètre de 3,2 mmO Suivant un quatrième mode de mise en oeuvre de l'invention, de ltosmium est placé dans une masse d'aluminium contenant de la poudre de carbone vitreux.En suivant le même processus que celui déjà décrit, le produit obtenu est un cristal clair en forme d'octaedres avec une configuration en gradins hexagonaux sur l2une des faces i ltoctaedres D'autres métaux, ctest-à dire le zirconium, le tungstène et le platine ont été utilisés au cours d'essais avec le traitement décrit ci-dessus, et le changement constaté de la couleur du cristal formé est particulier & l'impureté introduite, c'est- & dire au métal contaminant. Les cristaux sont le résultat d'une simple cristallisation dgune solution et les dimensions dépendent. de charges importantes refroidies & des vitesses plus faibles. Dtune façon générale, les paramètres suivants peuvent être utilisés pour la production des diamants synthétiques0 A. Température. Il a été constaté qu'une température utile de traitement est de l'ordre de 14000C & 18000C, Bien que des diamants puissent être formés en dessous de 14000C, ils sont de façon prédominante noirs et extrêmement petits, ctest--dire de dimensions microscopiques. Il a été constaté que la vitesse de réaction est extrêmement lente en dessous de 14000C et aussi que les carbures formés aux températures inférieures ne sont pas complètement décomposés avant que cette température élevée soit atteinte. B. Masse fondue. Il apparat que l'aluminium pur est le meilleur métal comme solvant; cependant, k des températures d'environ 16500C l'aluminium devient assez corrosif, ctest- & dire qu'il réagit avec le creuset enoxydede béryllium, et il est difficile de le contenir pendant des durées importantes0 Ce problème est résolu selon l'invention en formant un alliage d'étain et d'aluminium fondant approximativement & 4000C et ne bouillant pas avant 20000C. Une considération principale en ce qui concerne le métal fondu est qu'il doit avoir une phase liquide étendue et qutil ne doit pas avoir de tension de vapeur appréciable dans la plage de 1600 OC & 17000C, De plus, la masse de métal liquide ne doit pas former un carbure & des températures élevées et doit avoir un faible coefficient de contraction pendant le refroidissement jusqutà la température ambiante0 Le mélange dvétain et d'aluminium choisi de la façon indiquée ci-dessus satisfait aux critères précédents, et de plus ce métal est malléable de sorte qu'il n'crase pas les diamants formés dans la masse fondue pendant le refroidissement jusqu8 la température ambiante.Un autre mélange utile comme métal fondu est un mélange de nickel et dfaLuminiúm formé d'environ 4 g de nickel par gramme d'aluminium0 Ce mélange de- nickel et d'aluminium est liquide à environ 10000C et il noa pas de tension de vapeur appréciable à 20000C, Ce impuretés métalliques.La proportion de métal réagissant avec le carbone pour former un carbure déficient éstl-approximativement 1,4 g de métal par 291 g de carbones Il a été constaté conformément & l'invention que l'impureté métallique peut être constituée par une combinaison de métaux, par exemple de titane et de tungstène, de vanadium et de platine, et de titane et de platine, Dans ce cas, le total des métaux est aussi de 1,4 g par 2,1 g de carbone. Comme il a été indiqué. ci-dessus tous les métaux des groupes IVB, VBet VIB de la classification périodique et l'osmium, l'irridium et le platine du groupe VIII forment des centres de cristaux de diamant qui par refroidissement lent grossissent pour former des diamants de dimensions utiles. Il a été constaté aussi selon l'invention que certains métaux du groupe VIII c'est-à-dire le fer, le cobalt et le nickel ne forment pas un carbure déficient, ctest-ss-dire des centres de diamants0 La couleur des diamants formés dépend de la température, de la vitesse de refroidissement et principalement du métal ajouté0 Par exemple, le vanadium, le titane et le platine forment des diamants incolores de façon prédominante. La principale considération pour le choix du métal en utilisant le procédé selon la présente invention est que ce métal forme un carbure déficient A une température élevée, ctest t-dire supérieure à 14000C, -Bien que la description qui précède dé-crive un procédé pour former des diamants sans pression, une question est de savoir pourquoi personne n'a détecté jusqu' & ce jour les impuretés métalliques dans les diamants, car elles existent en quantités supérieures d des traces0 Une explication possible est que si le diamant analysé appartenant à la classe des carbures déficients contenant des métaux tels que le vanadium, le tantale, le tungstène, etcs, est brûlé ou oxyde, l'oxyde du métal est à la fois volatil et instable et par suite est perdu à l'état de vapeur0 De plus, le diamant ne se prête pas facilement à la simple analyse chimique par voie humide, Il nvy a pas beaucoup de chimistes acceptant de dissoudre un diamant dtun carat pour trouver quelques milligrammes dfune impureté qui pourrait être attribuée aux solvants ou au récipient0 En outre, les figures de diffraction des rayons X montrent des points et des raies inexpliqués0 Comme les figures de diffraction dépendent des plans des atomes et qu'en solution solide les métaux se trouvent entre les plans, ceux-ci sont évidemment difficiles à voir, La conception du carbure déficient explique ainsi pourquoi les diamants utilisés pour 1étude de la conversion de diamant en graphite éclatent aux environs de 23000C du fait que le point dpbullition du vanadium est 17120C et que le carbure de tantale est décomposé aux environs de 22300C sous vide ou en atmosphère inerte. De même le carbure de tungstène se décompose sous vide à des températures supérieures à 23000C, Comme de nombreux métaux utilisés pour former du diamant (un carbure déficient) ont des points d'ébullition inférieurs à 2300 C, l'aspect boursouflé et explosé du diamant subsistant est attribué & la pression interne dans le cristal résultant de la décomposition du carbure métallique. Les diamants formés par tous les essais décrits ci-dessus sont chimiquement inertes et rayent le saphir, et les dimensions du cristal dépendent du processus de cristallisation bien connus0 Bien entendu, la description qui. précède n1 est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant vautres 'variantes sans que leon sorte de son cadre, REVNDI CATIONS lo Procédé pour former des diamants synthétiques caractérisé par lvintroduction de carbone et de la poudre d'au moins un métal dans un lingot métallique, le métal de la poudre étant choisi dans le groupe constitué par les métaux des groupes IVE, VB et VIB de la classification périodique et par l'osmium, ,iridium et le platine avec un rapport en poids de 2,1 g de carbone pour 1,4 g du métal ou du mélange de métaux, le chauffage de la masse contenant les poudres de carbone et de métal à une température comprise entre 14000C et 1800 C pendant environ 8 heures, le re- froidissement lent jusqu'à la température ambiante, et ensuite la dissólution de la masse métallique0 2O Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal du lingot est choisi dans le groupe constitué par l'aluminium, le lithium, le zinc ltaluminium zinc et l'aluminium- nickel0 30 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le lingot contenant les poudres est chauffé à environ 1650 C. 40 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre métallique est un mélange de tantale et de tungstène0 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre métallique est un mélange de vanadium et de platine, 60 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre métallique est un mélange de tantale et-de platine. 7O Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre métallique est du titane0 e0 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre métallique est du vanadium0 9O Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre métallique est du tungstène0