Способ детонационного синтеза поликристаллического алмаза
METHOD FOR DETONATION SYNTHESIS OF POLYCRYSTALLINE DIAMOND

Изобретение относится к процессам получения синтетических поликристаллических алмазов детонационного синтеза, в частности к способам детонационного синтеза.
В 70-х годах в ИХФ в Черноголовке начал отрабатываться процесс синтеза поликристаллических детонационных алмазов типа ДАЛАН (Детонационный алмаз Академии наук). Состав смеси шашки взрывного синтеза - неалмазные формы углерода – графит, сажа и высокоэнергетические взрывчатые вещества (ВЭВВ) – (гексогеном, октогеном, и др.). Шашка из смеси изготавливается прессованием. Алмазы, полученные из этих шашек путем подрыва во взрывной камере, отличаются размерами первичных частиц 6-15 нанометров, первичные частицы собраны в агрегаты со средним размером 4-6 мкм. Основное назначение продукта после деления на фракции – использование в шлифовальных и полировальных процессах.
При получении ДАЛАН (ДАГ) заряд (шашка) выполнена на основе гексоген и/или октоген и неалмазной формы углерода - коллоидный природный графит марки C-1 со средним размером частиц около 3-5 мкм. (ДАГ) или сажи (ДАС). Синтезируемые таким образом порошки имеют поликристаллические частицы, аналогичные частицам алмазного порошка Mypolex, синтезируемого в металлических оболочках. Исследования показывают, что превращения неалмазный углерод - алмаз начинаются при 12 ГПа, а заканчиваются при 16 ГПа. Более низкие давления превращения в детонационной волне по сравнению с ударно-волновым синтезом (18-40 ГПа) объясняются более высокой температурой, до которой успевают прогреться частицы графита (В.В. Даниленко. Синтез и спекание алмаза взрывом. Москва. «Энергоатомиздат», 2003 г., стр. 81-82).
Способ получения детонационного алмаза, получаемого из шашки, изготовленной из смеси тротила и гексогена (ДНА), описан в частности в патенте RU2327637 (МПК C01B 31/08, B01J 3/06, B28B 3/00, опубл. 27.06.2008, патентообладатель Даниленко В.В.), согласно которому заряд (массой 20-40 кг) из сплава тротила с гексогеном или октогеном взрывают в центре герметичной взрывной камеры, в которой перед взрывом создается множество водяных струй, движущихся радиально от стенок камеры к заряду. Взрыв производят в момент, когда сталкивающиеся вокруг заряда струи образуют водяную оболочку с массой не менее десяти масс заряда. После взрыва полученную суспензию наноалмазов в воде откачивают из камеры в отстойник, после отстоя осадок отжимают на центрифуге и подвергают очистке от окислов металлов и неалмазного углерода или сушат. Исходный продукт – шашка представляет собой заряд из сплава тротила с гексогеном или октогеном большой массы (20-40 кг).
Полученный таким и аналогичными способами (водяная и ледяная оболочки) продукт из шашки - смесь тротила и гексогена, характеризуется размерами первичных частиц 3-10 нанометров, первичные частицы собраны в агрегаты размером до 600 нм, при этом водяная оболочка увеличивает содержание наноалмаза в шихте по сравнению с сухим синтезом с 35-42% до 55-75%. Таким образом, при получении ДНА в качестве исходного продукта применяют заряд (шашку) из сплава тротила с гексогеном или октогеном, а необходимое количество углерода обеспечивается за счет углерода, входящего в молекулу тротила.
Применение водяной оболочки для увеличения содержания поликристаллического алмаза ДАЛАН эффекта не дает, поскольку количество алмаза определяется процентным содержанием графита в шашке.
Технический результат заявляемого изобретения направлен на повышение средних размеров агрегатов детонационного алмаза поликристаллического модифицированного (ДАПМ) до 10-12 мкм.
Поставленный результат достигается тем, что способ детонационного синтеза поликристаллических алмазов осуществляют взрывом заряда в центре герметичной взрывной камеры в ледяной оболочке или в водяной оболочке, а после взрыва полученную суспензию алмазов в воде извлекают из камеры в отстойник, после отстоя осадок отжимают на центрифуге и подвергают очистке от окислов металлов и неалмазного углерода или сушат, согласно изобретению, заряд выполнен из смеси графита с высокоэнергетическим веществом при содержании графита от 5% до 30%. При этом в качестве высокоэнергетического вещества используют гексоген, и/или октоген, и/или тетранитропентаэритрит (ТЭН), и/или тетрил.
Детонационное спекание поликристаллических алмазов имеет свои особенности, но механизм превращения порошка в прочный поликристалл - общий, независимо от способа создания давления и температуры. Поэтому целесообразно проанализировать процессы по аналогии со спеканием поликристаллических алмазов в статических условиях. Прежде всего, спекание под давлением всегда сопровождается пластической деформацией частиц алмаза, скорость которой максимальна при детонационном сжатии. При этом, все процессы формирования – уплотнение, структурные и фазовые превращения идут одновременно. Деформированные частицы алмаза имеют высокую концентрацию вакансий. Формирование контактов между частицами идет за счет диффузионной пластичности, и конечная структура определяется давлением, температурой и временем протекания процесса (В.В. Даниленко. Синтез и спекание алмаза взрывом. Москва. «Энергоатомиздат», 2003 г., стр. 26 - 29). Таким образом, свойства взрывных поликристаллических алмазов зависят от условий синтеза и вида углеродного материала – наполнителя.
Подрывы зарядов графит (сажа) – высокоэнергетическое взрывчатое вещество - гексоген и/или октоген и/или тетранитропентаэритрит (ТЭН), и/или тетрил в водяной или ледяной оболочке снижает скорость разгрузки продуктов детонации, увеличивая время воздействия рабочего давления и повышая эффективность охлаждения, снижая уровень графитизации.
Оболочка для таких зарядов может быть организована, например, так, как описана в патенте RU2327637 – водное орошение, ледяная оболочка, кроме того, водяной мешок с погруженным в него зарядом, подрыв в бассейне с водой.
Полученные результаты с использованием заявляемого способа позволили получить увеличение среднего размера агрегатов, увеличение плотности (твердости) упаковки поликристаллов алмаза, что расширило диапазоны использования продукта и существенно уменьшило количество неиспользуемой части полидисперсного порошка (до 40%) из-за размерности несоответствующей потребностям производства.
Заявляемый способ подтверждается примерами конкретного исполнения, описанными ниже, а также графическими материалами.
Пример 1. Сравнивается результат синтеза заряда-шашки, изготовленной из смеси  высоко энергетического вещества, например гексогена и/или октогена с коллоидным графитом – 20%. Шашки цилиндрической формы весом 1,8 кг, изготовлены прессованием. Производится серия из тридцати подрывов в газовой среде и тридцати подрывов в ледяной оболочке. После очистки полученного алмазного шихтового материала производится сравнение размерных характеристик полученных материалов – полидисперсного поликристаллического алмазного порошка сухого синтеза и синтеза в водной оболочке. Перед синтезом проводится серия подрывов в камере для выжигания кислорода.
На фиг. 1. показана диаграмма распределения объемной концентрации неразделенного на фракции порошка ДАЛАН по размеру при условии синтеза в газовой среде. На фиг. 2. показана диаграмма распределения объемной концентрации неразделенного на фракции порошка ДАП по размеру при условии синтеза в ледяной оболочке.
Пример 2. Сравнивается результат синтеза заряда-шашки, изготовленной из смеси высоко энергетического вещества, например гексогена и/или октогена с коллоидным графитом – 20%. Шашки дискообразной формы весом 1,6 кг, изготовлены прессованием. Производится серия из тридцати подрывов в газовой среде и тридцати подрывов в водной оболочке. После очистки полученного алмазного шихтового материала производится сравнение размерных характеристик полученных материалов – полидисперсного поликристаллического алмазного порошка сухого синтеза и синтеза в водной оболочке. Перед синтезом проводится серия подрывов в камере для выжигания кислорода.
На фиг. 3. показана диаграмма распределения объемной концентрации неразделенного на фракции порошка ДАЛАН по размеру при условии синтеза в газовой среде. На фиг. 4. показана диаграмма распределения объемной концентрации неразделенного на фракции порошка ДАП по размеру при условии синтеза в водной оболочке.
На графиках, полученных после предварительного диспергирования в воде на лазерном анализаторе размеров частиц Malvern - независимо от формы заряда, наличие водяной (ледяной) оболочки смещает размерные пики среднего размера в порошке полидисперсного поликристаллического алмаза с 4-5 мкм у ДАЛАНа (фиг.1, фиг. 3) до 10-11 мкм у ДАПа (фиг. 2, фиг. 4).
Пример 3. Сравнивается результат синтеза заряда-шашки, изготовленной из смеси высокоэнергетического вещества, например, гексогена и/или октогена, ТЭНа, тетрила и других с коллоидным графитом 5 %, 10%, 20% 30%. Шашки дискообразной формы весом 1,6 кг, изготовлены прессованием. Производится серия из тридцати подрывов в водной оболочке. Определяется процент выхода детонационного алмаза из 1 кг шашки.
При 30% примеси графита в шашке поликристаллического алмаза образуется 3,2 - 4,4% от веса шашки.
При 20% примеси графита в шашке поликристаллического алмаза образуется 3-4,2% от веса шашки.
При 10% примеси графита в шашке поликристаллического алмаза образуется 1,8- 2,2% от веса шашки.
При 5% примеси графита в шашке поликристаллического алмаза образуется 1,1- 1,2% от веса шашки.
Таким образом, самый эффективный выход поликристаллических детонационных алмазов происходит при концентрации графита в шашке 20% (для этого способа формирования шашки). При этом сохраняется возможность применения меньших (от 5%) и больших (до 30%) концентраций графита для представленного способа производства.
Таким образом, мы получаем продукт, имеющий улучшенные физические и потребительские свойства.
Продукт синтеза в газовой среде после разделения на фракции имеет до 30-40% продукта по своему размеру невостребованного в производстве. При синтезе в водяной оболочке процент невостребованного из-за среднего размера алмазного порошка не превышает 5%.