Способ и исходный продукт для детонационного синтеза поликристаллического алмаза
METHOD AND PRIMARY PRODUCT FOR DETONATION SYNTHESIS OF POLYCRYSTALLINE DIAMOND

Изобретение относится к процессам получения синтетических поликристаллических алмазов детонационного синтеза, в частности к составам исходного продукта (шашек), способам детонационного синтеза.
Широко известен разработанный советскими учеными детонационный (ударно-волновой) метод синтеза искусственных наноалмазов. Образование алмазов обычно осуществляется при детонации взрывчатого вещества (далее ВВ) во взрывной камере, как из графита в смеси с ВВ (назван заявителями ударно-волновым методом), так и из углерода, входящего в молекулу ВВ (детонационный метод) (Воробьев, Александр Егорович, Воробьев, Кирилл Александрович Наноалмазы. Монография - М.: Мир науки, 2018. - Режим доступа: http://izd-mn.com/PDF/34MNNPM18.pdf).
В 1963 году во ВНИИТФ (г.Снежинск) начали использовать состав шашки из смеси тротила и гексогена. Шашка из такой смеси изготавливается литьем или прессованием. Синтез отрабатывался во взрывной камере при подрыве в атмосфере газов, водной оболочке, водном орошении и ледяной оболочке. Продукт назвали ДНА (детонационный наноалмаз).
Один из способов получения ДНА описан в патенте RU2327637, патентообладатель Даниленко В.В.
Патент защищает способ промышленного получения детонационных наноалмазов взрывом в центре герметичной взрывной камеры в водяной оболочке зарядов из сплава тротила с гексогеном или октогеном. В камере перед взрывом создают множество водяных струй, движущихся радиально от стенок камеры к заряду, причем взрыв производят в момент, когда сталкивающиеся вокруг заряда струи образуют водяную оболочку с массой не менее десяти масс заряда. Исходный продукт - шашка представляет собой заряд из сплава тротила с гексогеном или октогеном большой массы (20-40 кг). Полученный таким и аналогичными способами продукт из шашки (смесь тротила и гексогена) характеризуется размерами первичных частиц 3-10 нанометров, первичные частицы собраны в агрегаты размером до 600 нм.
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.
Синтезируемый детонационный наноалмаз имеет разнообразное назначение для всех размерных фракций агрегатов. Самая крупная фракция ДНА со средним размером 500 - 600 нм используется для полировки.
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) - гексоген, октоген 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 5-6 мкм. Основное назначение продукта после деления на фракции - шлифовальные и полировальные процессы.
При получении ДАЛАН (ДАГ) заряд-шашка выполнен на основе гексоген и/или октоген и неалмазной формы углерода - коллоидный природный графит марки C-1 со средним размером частиц около 3-5 мкм (В.В. Даниленко. Взрыв: физика, техника, технология. Москва. «Энергоатомиздат», 2010 г., стр. 686-687).
Указанный исходный продукт - шашка из смеси неалмазных форм углерода - графита, сажи и высокоэнергетических взрывчатых веществ - гексогенам, октогеном, и др. выбран в качестве ближайшего аналога.
Способ детонационного синтеза поликристаллического алмаза, включающий подрыв во взрывной камере исходного продукта в виде прессованных шашек на основе смеси неалмазных форм углерода - графита, сажи и высокоэнергетических взрывчатых веществ - гексогеном, октогеном, выбран в качестве ближайшего аналога для способа RU2327637 (МПК C01B 31/08, B01J 3/06, B28B 3/00, опубл. 27.06.2008, патентообладатель Даниленко В.В.).
Техническим результатом настоящего изобретения является создание детонационного поликристаллического алмаза (ДПА), в котором образованные агрегаты имеют более плотную агрегатную упаковку, обладают большей жесткостью и долговечностью в процессе работы, повышенные средние размеры агрегатов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявляемый способ детонационного синтеза поликристаллического алмаза, включающий получение исходного продукта из высокоэнергетического взрывчатого вещества - гексоген и/или октоген и углеродсодержащего компонента - коллоидного графита или сажи, и последующий синтез во взрывной камере, согласно изобретению, исходный продукт дополнительно содержит тротил при следующем соотношении исходных компонентов, масс. %:
Тротил
40-50
гексоген и/или октоген
40-50
коллоидный графит или сажа
5-12
При детонационном синтезе тротил является дополнительным источником углерода. За счет присутствия тротила фракции полидисперсного порошка лежат в более широких пределах, в зависимости от процентного содержания графита и способа синтеза от 100 нм до 12 мкм. При этом, при разделении на фракции полидисперсного чистого порошка агрегаты с размером менее 300 нм, образованные в процессе синтеза за счет участия в составе тротила, будут использоваться в стандартных областях применения наноалмазов ДНА. Шашка для синтеза продукта благодаря наличию тротила получена методом литья, что в отличие от прессованной шашки позволяет получать шашки любой формы и веса. Выполнять изготовление шашки методом литья проще, производительнее и экономически эффективнее. При этом минимальное количество тротила определяется возможностью введения в расплав тротила сухой фазы шашки - гексогена и коллоидного графита (сажи). Существенное значение при определении весового соотношения материалов имеет размерность гексогена и углеродного материала - чем меньше размер их частиц, тем меньше массовая доля сухих продуктов может быть помещена в расплав тротила. Практический опыт показывает, что при снижении количества тротила менее 40% масс. наблюдаются существенные сложности для введения сухой фазы. При формировании шашки взрывного синтеза необходимо учитывать, что снижение количества гексогена менее 40% масс., количество графита не должно превышать 20% от массы гексогена, поскольку при этом резко снижает эффективность процесса синтеза.
Количество примесного неалмазного углерода определяется возможностью размещения порошковых составов в расплавленном тротиле. При этом существенное уменьшение количества гексогена или другого ВЭВВ приводит к резкому снижению эффективности синтеза. Но изменение процента примеси неалмазного углерода (графита или сажи) приводит к возможности получению продуктов с различным размерным составом и физическими свойствами, что позволяет получать более широкие размерные пределы продуктов исходя из фактического спроса на синтезируемые продукты. Вариации по составу исходного продукта-шашки, способам ее формирования, способам синтеза дают возможности получения таким способом множество видов алмазных порошков с различными свойствами.
Специфика поликристаллических алмазных материалов проявляется, прежде всего, в зависимости их механических свойств от пористости. В процессе детонационного синтеза ДПА структурообразование определяется практически одновременным протеканием взаимосвязанных процессов фазового превращения, уплотнения и структурных и субструктурных преобразований. Использование тротила приводит к синтезу более мелких агрегатов, чем обычно формируются в ДАЛАНе. Средний размер частиц агрегатов уменьшается, что способствует их более плотной упаковке при активации пластической деформации частиц алмаза, необходимой для получения более прочного поликристалла. Деформированные зерна алмазов имеют высокую концентрацию вакансий. Формирование контактов между зернами протекает за счет диффузионной пластичности, обусловленной градиентом вакансий на границах, которые формируются в условиях градиентов давлений при детонационном синтезе.
Наличие тротила резко повышает процент алмаза в шихтовом материале. Процент алмаза в ДАЛАНе составляет 35-38%, в ДАП - 60-75%.
Сущность заявляемого изобретения поясняется результатами исследований, где на фиг. 1 представлены результаты исследования материала по заявляемому изобретению, на фиг. 2 - результаты исследования материала ДАЛАН (прототип).
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Пример 1. Методом литья исходный продукт - шашка весом 1,8 кг приготовлена из смеси - 40% тротила, 48% гексогена, 12% коллоидного графита. Форма шашки - цилиндрическая, инициирование - торцевое.
Содержание алмаза в шихтовом материале составляет 65%.
Пример 2. Методом литья исходный продукт - шашка весом 1,8 кг приготовлена из смеси - 45% тротила, 45% октогена, 10% сажи. Форма шашки - цилиндрическая, инициирование - торцевое.
Содержание алмаза в шихтовом материале составляет 70%.
Пример 3. Методом литья исходный продукт - шашка весом 1,8 кг приготовлена из смеси - 50% тротила, 45% смеси гексогена и октогена, 5% коллоидного графита. Форма шашки - цилиндрическая, инициирование - торцевое.
Содержание алмаза в шихтовом материале составляет 70%.
Проведенные исследования показали, что размерная кривая получаемого в соответствии с заявляемым изобретением детонационного поликристаллического алмаза (ДПА) представляет собой кривую с двумя полками на восходящей ветке (см. фиг. 1) с размером максимального пика 10 мкм.
В сравнении с размерной кривой получаемого детонационного поликристаллического алмаза (ДАЛАН) (см. фиг. 2) видно, что максимум пика распределения лежит в области 3-5 мкм.
К применению пригодны частицы с размерами от 10 - 300 нм для применения в биологии и медицине, гальванических процессах, модифицировании материалов; 300-500 нм пригодны для применения в металлургических процессах, 600 нм применяется в полировальном производстве, от 1 до 14 мкм в шлифовальных процессах.
Таким образом, в получаемом продукте - ДАП отходы составят не более 5-10%, когда выход годных к использованию частиц ДАЛАН не превышает 60%.
Пример 4. Проведены испытания сравнительной абразивной способности материалов - поликристаллических порошков марки ДАЛАН и ДАП размером 1-2 мкм. Результат определяли путем изменения массы галтуемого материала в вибро-галтовочной установке. Загрузочный барабан емкостью 2 л, загружался на половину галтуемым материалом - шарами 6-8 мм из стали, алунда и агата. Добавлялось 150 г воды и 2 г алмазного поликристаллического материала. Процесс галтовки ведется непрерывно с остановками для весового контроля каждые 12 часов. Контролируется состояние изменения массы галтуемого материала до состояния, при котором изменение массы материала не превышает 5% от изменения за первые 12 часов. В этом случае процесс останавливается, и абразивная способность оценивается по убыли массы для разных алмазных порошков. Если считать время обработки порошком ДАЛАН за единицу, то время обработки порошком ДАП выглядит, как представлено в таблице ниже.
Таблица - Сравнение времени работы шлифовальных составов ДАП с ДАЛАН на различных материалах.
Материал
Время обработки, ч ДАЛАН
Время обработки, ч ДАП
Стальные шары
1
1,8
Алундовые шары
1
3,2
Агатовые шары
1
5,1
Из представленной выше таблицы следует, что время работы шлифовальных порошков размером 1-2 мкм. ДАП превышает время работы порошков ДАЛАН при обработке различных материалов в 1,8 - 5,1 раза при использовании составов в вибро-галтовочной установке.
Заявляемый способ детонационного синтеза и новый исходный продукт позволяют получить поликристаллический алмаз, в котором размеры первичных частиц и образуемых ими агрегатов больше, чем в ДАЛАН.
В заявляемом изобретении используется трехкомпонентный состав исходного продукта. Наряду с ВВ (гексогеном, октогеном или др.) и углеродосодержащим компонентом в виде неалмазной формы углерода (сажа, графит и др.) в исходный продукт дополнительно вводится тротил.