СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ
METHOD OF OBTAINING SYNTHETIC DIAMONDS

Изобретение относится к химической промышленности и может быть применено для получения синтетических алмазов для изготовления технических или ювелирных изделий.
Известен способ синтеза алмазов из смеси простых воднорастворимых органических соединений алифатического ряда, содержащих противоположно заряженные атомы углерода. Процесс ведут в водной фазе при температуре 100-350°C и под давлением инертного газа-компрессанта 100-400 атм. (Патент РФ №2042748, опубл. 27.08.1995 г.). Недостатками известного способа являются:
- высокое давление в реакторе для синтеза алмазов;
- опасные условия производства синтетических алмазов;
- сложное аппаратурное оформление.
Известен способ синтеза алмазов, основанный на разложении карбида кремния в водной среде, в которую вводят один из компонентов: хлорид магния, кальция или железа. Процесс разложения карбида кремния ведут в интервале температур 200-350°C. В водную среду дополнительно вводят растворимые химические вещества, в состав которых входят легирующие алмаз элементы. Процесс ведут в течение 25 часов (Патент РФ №2181795, опубл. 27.04.2002 г.).
Недостатком данного известного изобретения, так же как и ранее приведенного изобретения, является высокое давление в реакторе синтеза алмазов - 200-400 атм, что является причиной опасного производства и применения сложного аппаратурного оформления.
4
2
4
2
4
4
2
Известен способ синтеза алмазов из газовой фазы CH и H, выбранный нами в качестве прототипа, с использованием металлов в качестве катализаторов. Для осуществления способа тигель с установленными в него базой и металлом для синтеза алмазов, таких как Fe, Ni и т.д. или их сплавов, помещают в вакуумный контейнер. Тигель нагревают до температуры 400-1000°C вместе с содержащимися в нем базой, каталитическим металлом и смешанным газом CH и H. В тигле образуются пары металла порядка 0,1-10% на один моль CH. В зоне реакции, где присутствуют пары металла и ионизированные газы, между тиглем и базой создают высокочастотное электрическое поле. Смешанные газы CH и H подают в тигель из баллона, где эти газы находятся под давлением в интервале 10<-4>-10 torr (мм рт.ст.) [[Патент №JP 59018197 A (SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES), 30.01.1984 г.].
Недостатками данного изобретения являются:
- сложное аппаратурное оформление,
- применение водорода может создать взрывоопасную ситуацию.
Задачами предлагаемого способа получения синтетических алмазов являются:
- упрощение технологического процесса;
- упрощение аппаратурного оформления;
- снижение эксплуатационных затрат;
- устранение вредных и опасных условий способа получения синтетических алмазов;
- снижение себестоимости получаемых синтетических алмазов.
Указанные задачи решаются следующим образом.
В тигель печи загружают тщательно перемешанные компоненты реакции синтеза алмазов: карбид кремния, карбонат натрия или калия, гранулированное железо. Карбид кремния должен быть дробленным и иметь размер кусков 0,5-3,0 мм, или порошкообразным, карбонат натрия или калия должен пройти термическую обработку при температуре 400-450°C в течение двух часов и также должен быть раздроблен на куски, имеющие размер 0,5-3,0 мм, гранулы железа должны иметь размер 1-3 мм. Состав исходной смеси компонентов имеет следующие значения, мас.%:
2
3
2
3
2
3
2
3
SiC - 7,5-11,0; NaCOили КСО - 89,0-92,5. Содержание гранулированного железа в составе карбида кремния и карбоната натрия или калия составляет 5-10% от суммарной массы SiC и NaCO или КСO. Тигель, заполненный исходными компонентами реакции синтеза алмазов на 70-80% от полного его объема, изолированный от атмосферы, помещают в индуктор печи и на пульте управления индукционной печью устанавливают температуру расплава, равную 850-950°C, и частоту электрического поля, равную 40-80 кГц.
Нагрев карбоната натрия или калия и карбида кремния в тигле осуществляется за счет содержания в смеси компонентов гранул железа, обладающих электромагнитными свойствами и используемых в качестве катализаторов в процессе синтеза алмазов. Процесс синтеза алмазов осуществляется согласно схеме реакции:
2
3
2
3
2
3
2
3
SiC+NaCO (KCO)=2C↓+NaSiO (KSiO) (1)
алмаз
Данный процесс протекает очень медленно и может длиться в течение 20-30 час.
и.к.
т
c
Расчет производят по формуле  Σm=V·k·d(2),
и.k.
2
3
2
3
t
2
3
2
3
где Σm - суммарная масса исходных компонентов SiC, NaCO или КСO, кг; V - объем тигля индукционной печи, л; k - коэффициент заполнения объема тигля смесью SiC и NaCO или KCO. k может иметь значения в интервале 0,7-0,8 (70-80% от полного объема тигля).
c
2
3
2
3
2
3
с
2
3
c
d- средняя удельная масса смеси соединений SiC и NaCO или SiC и КСO. Для смеси SiC - 9,0-11,0%; NaCO - 89,0-91,0% d=2,51 кг/л. Для смеси SiC - 7,5-9,0%; КСO - 91,0-92,5% d=2,35 кг/л.
Пример.
Проведем получение синтетических алмазов для смеси:
2
3
SiC=9,0%, NaCO=91,0%, Fe=10%, К=0,75.
3
Объем тигля составляет 100 см.
и.к.
3
3
Σm=100 см×0,75×2,51 г/см=188,25 г
sic
m=188.25г×0,09=16,94 г
Na2CO3
m=188,25 г-16,94 г=171,31 г
Fe
m=188,25 г×0,1=18,83 г
3
2
3
Объем железа составляет 2,4 см, что в сумме с объемом смеси SiC и NaCO не превышает 80% объема тигля.
2
3
2
3
2
3
Карбонат натрия подвергли термической обработке в течение двух часов при температуре 450°C в тигельной печи. Образующие продукты реакции синтеза алмазов NaSiO и NaCO или КСO после их растворения в дистиллированной воде и отделения кристаллов алмазов фильтрацией могут быть использованы как исходное сырье для изготовления моющих средств различного назначения.
Для установления необходимых технологических параметров были проведены опыты в лабораторных условиях по методике, представленной выше.
В работе использовали:
1. Индукционную высокочастотную печь марки ВЧ-15А.
Мощность печи - 15кВт, интервал частот индукционного электрического поля 30-100 кГц.
3
2. Тигель керамический огнеупорный объемом 100 см.
3. Гранулы железа, размер гранул 1-3 мм.
4. Карбид кремния марки 54С черный.
5. Карбонат натрия марки «ч».
6. Карбонат калия марки «ч».
7. Вода дистиллированная.
8. Тигельная печь лабораторная, регулируемый интервал температур нагрева 50-1000°C.
9. Мешалка лабораторная якорная.
Элементный анализ синтетических алмазов определяли с помощью электронного микроскопа, а структуру кристаллов - с помощью рентгеновского дифрактометра.
Результаты экспериментальных данных представлены в таблице 1.
Таблица 1.
№№ опыта
Наименование загружаемых компонентов в тигель печи
Масса компонентов, г
Частота электрополя, кГц
Температура процесса, °C
Длительность процесса, час
Выход алмазов и их свойства
1.
SiC Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> Fe (гранулы)
20,7167,618,8
40
860
22
Выход алмазов - 10,3 г (82,9% от стехиометрии). Размер кристаллов - 0,04-1,3 мм Элемент - С Структура кристаллов - алмаз Цвет - прозрачный, бесцветный
2.
SiC Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> Fe (гранулы)
20,7 167,6 18,8
60
860
22
Выход алмазов - 10,6 г (85,3% от стехиометрии). Размер кристаллов - 0,05-1,5 мм Элемент - С Структура кристаллов - алмаз Цвет - прозрачный, бесцветный
3.
SiC Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> Fe (гранулы)
20,7 167,6 18,8
80
860
22
Выход алмазов - 10,6 г (85,3% от стехиометрии). Размер кристаллов - 0,05-1,7 мм Элемент - С Структура кристаллов - алмаз Цвет - прозрачный, бесцветный
4.
SiC Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> Fe (гранулы)
20,7 167,6 18,8
60
950
22
Выход алмазов - 11,0 г (88,6% от стехиометрии). Размер кристаллов - 0,05-1,2 мм Элемент - С Структура кристаллов - алмаз Цвет - прозрачный, бесцветный
5.
SiC Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> Fe (гранулы)
20,7 167,6 18,8
80
860
30
Выход алмазов - 11,4 г (91,8% от стехиометрии). Размер кристаллов - 0,05-1,7 мм Элемент - С Структура кристаллов - алмаз Цвет - прозрачный, бесцветный
6.
SiC Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> Fe (гранулы)
20,7 167,6 9,4
80
860
30
Выход алмазов - 10,8 г (87,0% от стехиометрии). Размер кристаллов - 0,05-1,7 мм Элемент - С Структура кристаллов - алмаз Цвет - прозрачный, бесцветный
Продолжение таблицы 1.
№№ опыта
Наименование загружаемых компонентов в тигель печи
Масса компонентов, г
Частота электрополя, кГц
Температура процесса, °C
Длительность процесса, час
Выход алмазов и их свойства
7.
SiC К<sub>2</sub>СО<sub>3</sub> Fe (гранулы)
15,9 160,4 17,6
80
900
25
Выход алмазов - 9,2 г (96,4% от стехиометрии). Размер кристаллов - 0,07-2,1 мм Элемент - С Структура кристаллов - алмаз Цвет - прозрачный, бесцветный
8.
SiC К<sub>2</sub>СО<sub>3</sub> Fe (гранулы)
15,9 160,4 17,6
80
950
25
Выход алмазов - 9,5 г (99,6% от стехиометрии). Размер кристаллов - 0,05-1,9 мм Элемент - С Структура кристаллов - алмаз Цвет - прозрачный, бесцветный
9.
SiC K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> Fe (гранулы)
15,9 160,4 8,8
80
950
25
Выход алмазов - 9,1 г (95,4% от стехиометрии).Размер кристаллов - 0,07-2,2 мм Элемент - С Структура кристаллов - алмаз Цвет - прозрачный, бесцветный