способ получения синтетических алмазов

Формула изобретения

Способ получения синтетических алмазов путем взаимодействия между собой ионов углерода с разноименными зарядами при повышенной температуре в высокочастотном электрополе в присутствии железа в качестве катализатора, отличающийся тем, что процесс проводят при температуре 850-950°C и диапазоне частот 40-80 кГц в расплаве солей, содержащем, масс.%: SiC - 7,5-11,0; Na₂ CO₃ или K₂CO₃ - 89,0-92,5, при этом используют гранулированное железо, имеющее размер гранул 1-3 мм, в количестве 5-10% от массы расплава, а продолжительность процесса синтеза алмазов составляет 20-30 часов.

Описание изобретения к патенту

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.

Известен способ синтеза алмазов из газовой фазы CH₄ и H ₂, 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 CH₄ и H₂. В тигле образуются пары металла порядка 0,1-10% на один моль CH₄. В зоне реакции, где присутствуют пары металла и ионизированные газы, между тиглем и базой создают высокочастотное электрическое поле. Смешанные газы CH₄ и H₂ 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.%:

SiC - 7,5-11,0; Na₂CO₃ или К₂СО₃ - 89,0-92,5. Содержание гранулированного железа в составе карбида кремния и карбоната натрия или калия составляет 5-10% от суммарной массы SiC и Na₂CO₃ или К₂СO ₃. 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:

SiC+Na₂CO ₃ (K₂CO₃)=2C +Na₂SiO₃ (K₂SiO₃ ) (1)

алмаз

Данный процесс протекает очень медленно и может длиться в течение 20-30 час.

Расчет производят по формуле m_и.к.=V_т·k·d_c (2),

где m_и.k. - суммарная масса исходных компонентов SiC, Na₂CO₃ или К₂СO₃ , кг; V_t - объем тигля индукционной печи, л; k - коэффициент заполнения объема тигля смесью SiC и Na₂CO₃ или K₂CO₃. k может иметь значения в интервале 0,7-0,8 (70-80% от полного объема тигля).

d _c - средняя удельная масса смеси соединений SiC и Na ₂CO₃ или SiC и К₂СO₃. Для смеси SiC - 9,0-11,0%; Na₂CO₃ - 89,0-91,0% d_с=2,51 кг/л. Для смеси SiC - 7,5-9,0%; К₂ СO₃ - 91,0-92,5% d_c=2,35 кг/л.

Пример.

Проведем получение синтетических алмазов для смеси:

SiC=9,0%, Na₂CO₃ =91,0%, Fe=10%, К=0,75.

Объем тигля составляет 100 см³.

m_и.к.=100 см³×0,75×2,51 г/см³=188,25 г

m_sic=188.25г×0,09=16,94 г

m_Na2CO3=188,25 г-16,94 г=171,31 г

m_Fe=188,25 г×0,1=18,83 г

Объем железа составляет 2,4 см³, что в сумме с объемом смеси SiC и Na₂CO₃ не превышает 80% объема тигля.

Карбонат натрия подвергли термической обработке в течение двух часов при температуре 450°C в тигельной печи. Образующие продукты реакции синтеза алмазов Na₂SiO ₃ и Na₂CO₃ или К₂СO ₃ 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.

2. Тигель керамический огнеупорный объемом 100 см³.

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	Наименова ние загружаемых компонентов в тигель печи	Масса компо нен тов, г	Частота электрополя, кГц	Темпера тура процес са, °C	Длитель ность процесса, час	Выход алмазов и их свойства
1.	SiC Na2 CO3 Fe (гранулы)	20,7 167,6 18,8	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 Na2CO3 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 Na2CO3 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 Na2CO3 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 Na2CO3 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 Na2CO3 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	Наимено вание загружае мых компонен тов в тигель печи	Масса компонентов, г	Частота электрополя, кГц	Температура процесса, °C	Длительность процесса, час	Выход алмазов и их свойства
7.	SiC К2СО3 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 К2СО3 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 K2CO3 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