(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の単結晶ダイヤモンドのような劈開ワレの問題がなく、Ｘ線や赤外光等に対し高強度で強靱であり、かつ大型で安価な耐圧窓を提供する。【解決手段】非ダイヤモンド型炭素物質を含む原料組成物を、超高圧高温下で、焼結助剤及び触媒の添加なしに、直接的にダイヤモンドに変換焼結した、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモンドによって形成された耐圧窓であって、多結晶ダイヤモンドが、最大粒径が１００ｎｍ以下かつ平均粒径５０ｎｍ以下の微粒ダイヤモンド結晶と、粒径５０ｎｍ〜１００００ｎｍの板状もしくは粒状の粗粒ダイヤモンド結晶との混合組織を有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
非ダイヤモンド型炭素物質を含む原料組成物を、超高圧高温下で、焼結助剤及び触媒の添加なしに、直接的にダイヤモンドに変換焼結した、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモンドによって形成された耐圧窓であって、当該多結晶ダイヤモンドが、最大粒径が１００ｎｍ以下かつ平均粒径５０ｎｍ以下の微粒ダイヤモンド結晶と、粒径５０ｎｍ〜１００００ｎｍの板状もしくは粒状の粗粒ダイヤモンド結晶との混合組織を有することを特徴とする耐圧窓。
【請求項２】
前記微粒ダイヤモンド結晶が、最大粒径５０ｎｍ以下かつ平均粒径３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載された耐圧窓。
【請求項３】
前記粗粒ダイヤモンド結晶が、粒径５０ｎｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載された耐圧窓。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線や赤外光に対する耐圧窓に関するものであり、特に高真空や高圧容器、コンプレッションセル等の窓に用いられる高硬度で高強度な耐圧窓に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の高真空や高圧容器、コンプレッションセルやダイヤモンドアンビル等で用いられるＸ線や赤外光に対する窓において、特に耐圧性の必要とされる用途ではダイヤモンドの結晶が用いられている。ダイヤモンドの結晶は、Ｘ線や赤外光に対して透明で、かつ、高硬度という特性を有し好適だからである。上記のような耐圧窓用としては、天然の単結晶ダイヤモンドや合成の単結晶ダイヤモンドが用いられてきた。（特許文献１参照）。またこのような耐圧窓の材料としてＣＶＤ多結晶ダイヤモンドが用いられる場合もあった。
【０００３】
しかしながら、単結晶ダイヤモンドは結晶方位によって硬さが異なり、また（１１１）面で劈開割れしやすいという問題があり、信頼性が十分でなく、耐えられる圧力にも限界があった。また、たとえば５ｍｍを越える大型の単結晶ダイヤモンドは非常に高価で、かつ安定した入手も困難である。ＣＶＤダイヤモンド多結晶体は劈開性がないが、粒子間結合力が不十分であるため同様の問題があった。
【特許文献１】特開平７−２０９１５８号公報
【非特許文献１】J. Chem. Phys., 38 (1963) 631-643 [F.P.Bundy]
【非特許文献２】Japan. J. Appl. Phys., 11 (1972) 578-590 [M.Wakatsuki, K.Ichinose, T.Aoki]
【非特許文献３】Nature 259 (1976) 38 [S.Naka, K.Horii, Y.Takeda, T.Hanawa]
【非特許文献４】New Diamond and Frontier Carbon Technology, 14 (2004) 313 [T. Irifune, H. Sumiya]
【非特許文献５】SEIテクニカルレビュー 165 (2004) 68 [角谷、入舩]
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、従来の単結晶ダイヤモンドのような劈開ワレの問題がなく、Ｘ線や赤外光等に対し高強度で強靱な耐圧窓を提供し、かつ大型で安価な耐圧窓を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、黒鉛（グラファイト）やグラッシーカーボン、アモルファスカーボンなどの非ダイヤモンド炭素を超高圧高温下で、触媒や溶媒なしに直接的にダイヤモンドに変換させ、同時に焼結させることで結合材のないダイヤモンド単相の多結晶体が得られることを見出した。
【０００６】
このようにして得られたダイヤモンドは多結晶体であるが、介在物を含まないため、Ｘ線や赤外線に対して透明である。また、単結晶ダイヤモンドのような劈開性を有しないため、高強度・強靱であることから、この素材を高真空容器や、高圧容器、コンプレッションセル等の耐圧窓として用いると、単結晶ダイヤモンドに比較して、より高真空・高圧力に耐え得る。
【０００７】
さらに、本発明者らは、出発物質の最適化によって多結晶ダイヤモンドの微細構造を最適化することで、従来の単結晶ダイヤモンドをはるかに越える強度、耐圧性をもつ、非常に優れた窓材となり得ることを見出した。
【０００８】
次に本発明に係る耐圧窓について詳述する。
非特許文献１乃至３には、グラファイトを出発物質として１４−１８ＧＰａ、３０００Ｋ以上の超高圧高温下の直接変換により多結晶ダイヤモンドが得られることが開示されている。しかし、いずれもグラファイトなどの導電性のある非ダイヤモンド炭素に直接電流を流すことで加熱する直接通電加熱法を用いるため、未変換グラファイトが残留することは避けられなかった。
【０００９】
また、ダイヤモンド粒子径が不均一であり、また、部分的に焼結が不十分とりやすかった。このため、硬度や強度などの機械的特性が不十分で、しかも欠片状の多結晶体しか得られず、耐圧窓として使用できるものは得られなかった。
【００１０】
また、たとえば非特許文献４及び５には、高純度グラファイトを出発物質として、１２ＧＰａ以上、２２００℃以上の超高圧高温下における間接加熱による直接変換焼結により、緻密で高純度な多結晶ダイヤモンドを得る方法が開示されている。この方法で得られるダイヤモンドは非常に高い硬度を有する場合があるが、その再現性が十分でなく、機械的特性が安定しないため、耐圧窓の材料として使用すると、試料によっては耐圧性がばらつくという問題があった。
【００１１】
本発明者らは、上記の問題点の原因を調べるため、直接変換で得られる多結晶ダイヤモンドの微細構造と機械的特性や耐摩耗特性との関係を詳しく調査したところ、層状構造と微細な均質構造の混ざった複合組織を持つ場合があり、これらが適切な割合で分布しているものは、高硬度で耐摩耗性に優れることがわかった。また、従来の方法では、層状構造と微細な均質構造の比率は、出発物質のグラファイトの状態や昇温時間、速度度圧力条件の微妙な違いによってバラつき、これが機械的特性、耐摩耗特性の安定しない原因であることがわかった。
【００１２】
そこで本発明者らは、超高圧高温下で非ダイヤモンド炭素をダイヤモンドに直接変換させる方法において、比較的粗い板状グラファイトあるいは比較的粗いダイヤモンドに、非グラファイト型炭素物質もしくは低結晶性あるいは微粒のグラファイトを添加したものを出発物質としたところ、微粒ダイヤモンドのマトリックス中に層状もしくは粗粒のダイヤモンド結晶が分散した組織の多結晶ダイヤモンドが得られ、この層状もしくは粗粒ダイヤモンドでの塑性変形、微細クラックの進展阻止効果により、非常に硬くて強靱な多結晶ダイヤモンドが極めて安定して得られることを見出した。また、グラファイトからでも昇温時間、速度度圧力条件により微細構造の制御が可能で、上記のような適切な組織とすることも見出した。こうして得られた多結晶ダイヤモンドは耐圧窓の材料として非常に有用である。
【００１３】
すなわち、本発明に係る耐圧窓の構成は以下のとおりである。
（１）非ダイヤモンド型炭素物質を含む原料組成物を、超高圧高温下で、焼結助剤及び触媒の添加なしに、直接的にダイヤモンドに変換焼結した、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモンドによって形成された耐圧窓であって、当該多結晶ダイヤモンドが、最大粒径が１００ｎｍ以下かつ平均粒径５０ｎｍ以下の微粒ダイヤモンド結晶と、粒径５０ｎｍ〜１００００ｎｍの板状もしくは粒状の粗粒ダイヤモンド結晶との混合組織を有することを特徴とする耐圧窓である。
（２）前記微粒ダイヤモンド結晶が、最大粒径５０ｎｍ以下かつ平均粒径３０ｎｍ以下であることを特徴とする上記（１）に記載された耐圧窓である。
（３）前記粗粒ダイヤモンド結晶が、粒径５０ｎｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載された耐圧窓である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る耐圧窓は、直接変換により得られるダイヤモンド単相であって、Ｘ線や赤外光等に対して非常に高硬度・強靭で、かつ耐摩耗性の高い多結晶ダイヤモンドからなるため、従来の単結晶ダイヤモンドやＣＶＤダイヤモンド以上の耐圧性、信頼性を有する。
また劈開ワレに強く、かつ大型で安価な耐圧窓に好適な材料を提供するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る耐圧窓の実施形態の一例を以下に示す。
本実施形態に係る耐圧窓は、粒径５０ｎｍ以上の板状グラファイトあるいはダイヤモンドに非グラファイト型炭素物質を適当量添加する。これを原料組成物として、ダイヤモンドが熱力学的に安定である圧力条件下において直接的にダイヤモンドに変換焼結させる。すると平均粒径が、例えば１０〜２０ｎｍの非常に微細なダイヤモンドのマトリックスに、例えば１００〜２００ｎｍの比較的粗いダイヤモンドが分散した組織の多結晶ダイヤモンドが得られる。塑性変形やクラックの進展が比較的粗いダイヤモンド部で阻止されるため、非常に強靱で高い硬度特性を示し、試料による特性バラツキも大幅に小さくなる。
【００１６】
ここで、粒径５０ｎｍ以上の板状グラファイトあるいはダイヤモンドに添加される非グラファイト型炭素物質の添加量は、１０体積％〜９５体積％が好ましい。１０体積％より少ないと層状もしくは粗粒のダイヤモンド同士が接触し、その界面で応力集中してワレやキレツが発生しやすくなるため好ましくない。また、９５体積％を超えると層状もしくは粗粒のダイヤモンドによる塑性変形や微細クラックの進展阻止効果が十分でなくなる。
【００１７】
また、上記非グラファイト型炭素物質としては、グラッシーカーボン、アモルファスカーボン、フラーレン、カーボンナノチューブなどが挙げられる。また、グラファイトを遊星ボールミル等で機械的に粉砕して得られた粒径５０ｎｍ以下の微細な炭素も用いることができる。
【００１８】
上記のようにして得られた混合物を、Ｍｏなどの金属カプセルに充填する。粉砕された微細炭素を用いる場合は、充填作業を高純度な不活性ガス中で行う必要がある。次に、マルチアンビル型超高圧装置やベルト型超高圧装置などの等方加圧や静水圧加圧が可能な超高圧高温発生装置を用いて、温度１５００℃以上で、かつダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力で所定時間保持する。前記の非グラファイト型炭素はダイヤモンドに直接変換され、同時に焼結される。粒径５０ｎｍの板状グラファイトを用いる場合は、これを完全にダイヤモンドに変換させるために、２０００℃以上の高温で処理する必要がある。
【００１９】
こうして、微粒ダイヤモンドのマトリックスの中に層状のもしくは比較的粗いダイヤモンド結晶が分散した組織の多結晶ダイヤモンドを安定して得ることができる。
また、グラファイトを出発物質として、上記の高圧高温処理する際に、加熱速度を１００〜１０００℃／分とすることによっても、同様の組織を有する多結晶ダイヤモンドが得られる。
【００２０】
このようにして得られた多結晶ダイヤモンドは、微粒ダイヤモンド結晶と板状もしくは粒状の粗粒ダイヤモンド結晶の混合組織である。かかる多結晶ダイヤモンドは、前記板状もしくは粒状の粗粒ダイヤモンド結晶の有する塑性変形や微細クラックの進展阻止作用によって、多結晶体の硬度は１２０ＧＰａ以上と非常に高く、そのため耐圧性に非常に優れ、特性のバラつきも少ない。
【００２１】
また前記微粒ダイヤモンド結晶は、最大粒径１００ｎｍ以下、かつ平均粒径５０ｎｍ以下である。微粒ダイヤモンド結晶の粒径が上記値を超えると多結晶ダイヤモンドの硬度や
強度が低下する傾向がある。
【００２２】
さらに前記粗粒ダイヤモンド結晶は、粒径５０ｎｍ〜１００００ｎｍである。更に粒径５０〜１０００ｎｍであるのが好ましい。粗粒ダイヤモンド結晶が小さすぎると、前記の阻止作用が十分に発現せず、大きくなりすぎると、粗粒ダイヤモンド自体の塑性変形や劈開（粒内破壊）の影響が大きくなり、多結晶ダイヤモンドの硬度や強度が低下する傾向がある。
【００２３】
この板状もしくは粒状の粗粒ダイヤモンド結晶による前記の阻止作用により、多結晶体の硬度は１２０ＧＰａ以上と非常に高く、そのため耐圧性に非常に優れ、特性のバラつきも少ない。また、高温下でも硬度も低下も少なく、１０００℃では、単結晶ダイヤモンド２〜３倍以上の硬度を有する。単結晶ダイヤモンドは、特に高温下で｛１１１｝＜１１１＞すべり系による塑性変形が起こり軟化してしまうが、本多結晶ダイヤモンドは、その面すべりによる塑性変形の進展が粒開で阻止されるため、高温・高圧下でも高硬度を維持することができるのである。
【００２４】
したがって、この多結晶ダイヤモンドを用いて、真空容器や高圧容器、コンプレッションセルの窓材やダイヤモンドアンビル等を作成すると、従来の単結晶ダイヤモンドやＣＶＤダイヤモンドの窓に比較して、より高い耐圧性が得られ、信頼性も高くなる。また、この多結晶ダイヤモンドは、原料がグラファイトやアモルファス炭素などの安価な材料であり、変換焼結により作製できるため、単結晶ダイヤモンドより大型の試料をより低コストで提供することが可能である。