Brevet FR2076129A1 — publié le 19711015

La présente invention est relative à une technique simplifiée de fabrication de diamants industriels synthétiques au moyen d'un appareil simple mais efficace. On suppose qu'aux environsde 1880, J.B. Hannay fabriqua des 5 diamants en chauffant au rouge un mélange d'hydrocarbures, d'huile d'os et de lithium dans des tubes en fer forge scellés. Par la suite, vers 1890, Hanri Moissan a dissout du sucre carbonisé dans du fer à l'état fondu et a trempé la solution obtenue dans de l'eau froide pour faire cristalliser le carbone sous l'action des 10 fortes pressions internes qui étaient supposées être engendrées par la contraction due au refroidissement de la masse. Les tentatives effectuées pour reproduire ces deux procédés n'ont pas été couronnées de succès. On fabrique ordinairement les diamants synthétiques en ap-15 pliquant à des matières carbonées des températures et des pressions énormes mais l'appareillage actuellement utilisé pour engendrer ces températures et pressions extrêmement élevées est très volumineux et coûteux. L*invention fournit un appareil qui est beaucoup plus simple et de dimension plus réduite car il utilise une onde 20 de choc fortement amplifiée pour fournir la pression nécessaire. Comme l'élévation de pression est extrêmement rapide, le choc engendre une chaleur ainsi qu'une pression suffisantes pour obtenir des diamants à partir du graphite. L'appareil utilisé comporte un "poinçon" exponentiel en 25 acier massif durci dont la section va en décroissant d'une extrémité large à une extrémité étroite ou fine. Un marteau magnétique est disposé près de l'extrémité large du poinçon exponentiel et une plaque de cuivre est intercalée entre le poinçon et le marteau magnétique. Une enclume ou matrice comportant un petit évidement 30 de dimension à peu près égale à celle de la petite extrémité du poinçon exponentiel est située en dessous de cette dernière de sorte que cette petite extrémité s'ajuste dans 1"'évidement. Du graphite pur devant être converti en diamants est placé dans 1'évidement de l'enclume et le marteau, la plaque de cuivre, le poinçon 35 exponentiel et l'enclume sont reliés et maintenus par un bâti de support convenable. Le marteau magnétique est connecté à un banc de condensateurs ainsi qu'à une source de tension qui fournit une décharge électrique sous la forme d'une impulsion de courant à montée rapi-40 de qui est destinée à actionner le marteau et à engendrer une onde 2. 71 00640 2076129 de choc .mécanique dans le poinçon exponentiel, qui est transmise au graphite contenu dans l'enclume. L'onde de choc engendrée à l'extrémité large du poinçon exponentiel se propage dans celui-ci et par suite de la forme du poinçon, sa Vitesse est amplifiée et elle est concentrée de telle manière que la quasi totalité de son énergie parvient simultanément au niveau de la petite extrémité du poinçon, qui est en contact avec le graphite. Il en résulte qu'un front de pression à vitesse élevée est appliqué ou est transféré au graphite, ce qui y engendre une chaleur et une pression suffisantes pour convertir une partie du graphite en grains de diamant. Jusqu'à maintenant il n'a pas été possible de fabriquer des diamants atteignant le degré de qualité des pierres précieuses mais les diamants industriels synthétiques se sont révélés supérieurs aux diamants naturels comme éléments abrasifs dans des composés de polissage ou de rodage. Ceci est dû au fait que les diamants synthétiques sont des monocristaux de forme à peu près octa-édrique comportant un grand nombre d'arêtes vives. Pour fabriquer de la poudre abrasive à partir de diamants naturels, il est nécessaire de broyer ces diamants et cette opération de broyage fournit des éclats allongés-et des méplats nombreux qui réduisent l'efficacité de la poudre abrasive. ' D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au" cours de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en élévation, en partie en coupe, d'un appareil selon l'invention ; ■ la Fig..2 est un graphique'représentant la forme de l'impulsion de courant appliquée au marteau magnétique-? la Fig. 3 est une vue à plus grande échelle montrant l'extrémité étroite du poinçon exponentiel et le graphite contenu par 1'évidement de l'enclume. La. Fig. 1 représente un marteau magnétique 10 qui est connecté à un banc de condensateurs 12 et à "une source de tension 14 par des lignes de transmission électriques 16. Une grande bobine (non représentée) est montée à l'extrémité inférieure du marteau magnétique et une plaque de cuivre 18 est montée contre cette extrémité inférieure. La plaque de cuivre et le marteau- sont séparés par une feuille de, matière plastique 20 en "Mylar", par exemple, pour empêcher toute formation d'arc susceptible d'apparaître entre la plaque de cuivre et le marteau magnétique, en cours de fonc 71 00640 3. 2076129 tionnement. Un poinçon exponentiel 22 est placé immédiatement en dessous de la plaque de cuivre. Le poinçon 22 comporte une extrémité large 24 et a une section qui décroit jusqu'à une extrémité étroite 26 qui s'ajuste dans un évidement 28 formé dans une enclu-5 me 30. Le poinçon est en acier extrêmement dur, de préférence un acier maragé ayant une dureté Rockwell de 50. La courbure de la surface 23 du poinçon est déterminée par l'équation y = ceax dans laquelle x et ^ définissent des points ordinaires d'un plan défini par deux axes de coordonnées, c est jq une constante, e est le nombre transcendant utilisé comme base pour les logarithmes naturels et a représente une constante. La forme du poinçon doit reproduire exactement la forme obtenue lorsqu'on fait tourner l'équation ci-dessus, par un traitement mathématique approprié, autour de l'axe x afin d'obtenir un corps de révolu-tion. Cette forme est critique et l'on a constaté que des variations mêmes minimes de cette forme entraînent une perte d'efficacité de transmission et de concentration de l'énergie de l'onde de choc engendrée au niveau de l'extrémité large du poinçon. Lorsqu' on désire fabriquer des diamants, on dispose du graphite pur 32 20 dans 1'évidement situé en dessous de l'extrémité étroite du poinçon. L'appreil est maintenu par une plaque inférieure 34 et par une plaque supérieure 36, cette dernière comportant en son centre un trou 38 qui est destiné à laisser passer les lignes électriques 25 provenant du marteau magnétique. Les deux plaques sont reliées l'une à l'autre par une série de tiges allongées 40 et 42 qui sont filetées à chacune de leurs extrémités afin de recevoir des écrous 44. On peut employer un nombre désiré quelconque de tiges allongées pour monter l'appareil, ces tiges étant au nombre de quatre dans 30 l'appareil représenté et dans le modèle réel qui a été essayé avec succès. En fonctionnement, on place du graphite dans l'évidement de l'enclume. On charge le banc de condensateurs à partir de la source de tension et, une décharge électrique, c'est-à-dire une impul-35 sion de courant ayant la forme représentée à la Fig. 2 est appliquée à la bobine (non représentée) du marteau magnétique» La partie utile de l'impulsion est constituée par les 75 premières microsecondes. La bobine est disposée près de la plaque de cuivre. Un marteau magnétique très semblable à celui utilisé dans cet appa-40 reil est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 71 00640 2076129 3 360 972, délivré le 2 janvier 1968. La décharge émanant du .banc de condensateurs circule dans la bobine du marteau magnétique et engendre un champ magnétique intense. Ce champ magnétique induit des courants de Foucault intensesdans la plaque de cuivre 18, dont le sens est opposé à celui du courant circulant dans la bobine du marteau magnétique. Les courants de Foucault engendrent également un champ magnétique intense qui agit à 1'encontre du champ magnétique engendré par la bobine du marteau magnétique. En conséquence, le marteau magnétique et la plaque de cuivre ont tendance à s'écarter l'un de l'autre et le seraient effectivement s'ils n'étaient retenus assemblés par le bâti de support. En utilisant une décharge électrique dans laquelle le temps de montée de l'impulsion de courant qui est appliquée à la bobine est très rapide, la réaction que l'on vient de mentionner provoque l'apparition d'une onde de choc dans le poinçon exponentiel 22. Lorsque l'onde de choc descend dans le poinçon, sa vitesse est amplifiée et elle est concentrée, par suite de la forme du poinçon, de sorte que la totalité de l'énergie arrive à peu près simultanément à la petite extrémité du poinçon. L'onde de choc quitte alors le poinçon et pénètre dans le graphite. L'onde de choc pénétrant dans le graphite est en fait un front de pression très rapide qui comprime et chauffe le graphite, suffisamment pour provoquer la formation de diamants à partir du graphite. Au cours d'essais conduits avec l'appareil de l'invention, on a tout d'abord engendré une petite onde de choc afin de tasser le graphite dans 1"évidement de l'enclume puis une seconde onde de choc a été ensuite utilisée pour produire les diamants. Plusieurs séries d'essais ont été effectuées avec l'appareil de l'invention et en utilisant des tensions différentes. Le banc de condensateurs utilisé présentait une capacité de 360 microfarads. L'énergie appliquée à l'appareil à partir du banc de conden- 2 sateur peut être déterminée au moyen de 1'équation J = 1/2 CV dans laquelle J est l'énergie en joules, C est la capacité en farads et V est la tension appliquée au banc de "condensateurs. Au cours de chaque essai, le graphite a été tassé au moyen d'une décharge de 1000 V et une tension plus grande a été appliquée ensuite. Lorsqu'on utilise une tension de 3000 V pour charger le banc de condensateurs, on n'obtient que des diamants jaunes. Toutefois, une décharge de 4000 V fournit des diamants d'un jaune plus vif et à 5000 V on obtient des diamants purs. 71 00640 2076129 On peut utiliser l'appareil selon l'invention pour produi re d'autres matériaux cristallins an remplaçant le graphite par d'autres matériaux. Par exemple, on peut fabriquer du saphir à partir d'oxyde d'aluminium (Alo0jj ) 71 00640 6. 2076129 REVENDICATIONS 1 - Appareil utilisant 'l'énergie électrique pour engendrer et appliquer à une masse de matériau une onde de choc mécanique fortement concentrée, caractérisé en ce qu'il comprend un bâti de 5 support, une enclume montée dans le bâti et comportant un évidement destiné à recevoir la masse de matériau, un poinçon exponentiel monté au voisinage de l'enclume et dont la forme est détermi- cL2C née par l'équation y = ce , le poinçon comportant une extrémite large et un corps de section décroissante qui se termine par une extrémité de dimension réduite s'ajustant dans 1'évidement de l'enclume, une plaque montée au voisinage du poinçon accordé, dans une position telle qu'une face de cette plaque est en butée contre l'extrémité large du poinçon, et un dispositif magnétique monté contre la face de la plaque qui est opposée à celle touchant le X5 poinçon afin d'engendrer dans le dispositif magnétique et la plaque des forces magnétiques opposées et se repoussant pour produire une réaction qui est transférée au poinçon exponentiel et qui engendre une onde de choc se propageant dans le poinçon et qui est concentrée et dont la vitesse est amplifiée par ce poinçon, de 20 sorte que la quasi-totalité de l'énergie de l'onde de choc arrive simultanément à l'extrémité étroite du poinçon qui est en contact avec le matériau. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une couche isolante placée entre la plaque et le 25 dispositif magnétique afin d'éviter la formation d'un arc entre ces deux parties pendant le fonctionnement de l'appareil. 3 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif magnétique comprend un marteau magnétique monté en butée contre la plaque et un dispositif 3 0 à décharge électrique connecté au marteau magnétique par des lignes électriques de transmission. 4 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que ladite plaque est en cuivre. 5 - Procédé de fabrication de diamants, caractérisé en ce 35 qu'il consiste à placer une certaine quantité de graphite dans un évidement d'une enclume et à faire passer un front de pression dans le graphite en plaçant un poinçon exponentiel ayant une extrémité large et une étroite de telle façon que l'extrémité étroite soit en contact avec le graphite, et à engendrer une onde 40 de choc dans l'extrémité large, onde dont la vitesse est amplifiée 7. 71 00640 2076129 et qui est concentrée de sorte que la totalité de l'énergie de l'onde de choc arrive simultanéinent à l'extrémité étroite du poinçon qui est en contact avec la graphite et qu'un front de pression est appliqué au graphite et comprime et chauffe celui-ci à 5 un niveau qui provoque la formation de diamants. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on actionne un marteau magnétique pour engendrer l'onde de choc dans le poinçon. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 10 6, caractérisé en ce qu'on engendre dans l'extrémité large du poinçon, une onde de choc initiale qui est moins intense pour tasser le graphite dans 1'évidement de l'enclume.