DE1142346B

DE1142346B - Verfahren zur Synthese von Diamanten

Info

Publication number: DE1142346B
Application number: DEG28588A
Authority: DE
Inventors: Harold Paul Bovenkerk
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1958-12-29
Filing date: 1959-12-14
Publication date: 1963-01-17
Also published as: CH389580A; US2992900A; LU38064A1; NL246888A; BE585728A; GB914322A; FR1243279A; NL113881C

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

G 28588 IVa/12i

ANMELDETAG: 14. DEZEMBER 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 17. J A N U A R 1963

Seit Ende des vorigen Jahrhunderts wurden immer wieder Versuche zur Synthese von Diamanten unternommen. Oftmals wurde mitgeteilt, daß nun endlich die Synthese künstlicher Diamanten gelungen sei. Es stellte sich jedoch später regelmäßig heraus, daß diese Mitteilungen nicht der Wahrheit entsprachen, Im Jahre 1955 gab dann der Erfinder bekannt, daß mehreren seiner Mitarbeiter die Synthese künstlicher Diamanten geglückt ist. Bekanntlich ist dies mit Hilfe neuartiger Hochdruckapparaturen möglich, mit denen bei Temperaturen bis zu 3000° K Drücke von über 100 000 at längere Zeit aufrechterhalten werden können. Aus den bisherigen Veröffentlichungen ergibt sich, daß zur Synthese von Diamanten kohlenstoffhaltiges Material im diamantstabilen Gebiet des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff liegenden Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt werden muß, beispielsweise einem Druck von ungefähr 53 000 at bei einer Temperatur im Bereich von 1600 bis 2500° K.

Es sind mehrere nach thermodynamischen Grundlagen errechnete Graphit - Diamant - Umwandlungskurven bekannt, die im Zustandsdiagramm von Kohlenstoff die Trennungslinie zwischen diamantstabilem und graphitstabilem Gebiet bilden. Eine der neuesten Graphit-Diamant-Umwandlungskurven stammt von Berman und Simon und ist in der »Zeitschrift für Elektrochemie«, 59, S. 333 (1955), veröffentlicht. Es wurde bisher angenommen, daß Kohlenstoff in Diamant umgewandelt werden kann, wenn der Kohlenstoff im diamantstabilen Gebiet liegenden Druck- und Temperaturbedingungen ausgesetzt wird.

Es hat sich aber nun herausgestellt, daß keine Diamanten entstehen, wenn man nur kohlenstoffhaltiges Material im diamantstabilen Gebiet des Zu-Standsdiagramms liegenden Temperatur- und Druckbedingungen aussetzt. Vielmehr können gemäß anderen Erfindungen des Erfinders Diamanten nur dann hergestellt werden, wenn man kohlenstoffhaltiges Material zusammen mit einem Metall gleichzeitig im 4^ Diamantbildungsbereich liegenden Drücken und Temperaturen aussetzt. Zwischen dem Metall und den verwendeten Druck- und Temperaturbedingungen besteht dabei folgender Zusammenhang:

a) Es ist ein Mindestdruck von ungefähr 75 000 at und eine Mindesttemperatur von ungefähr 1400° C erforderlich, wenn (mit Ausnahme von Platin) ein Metall der VIII. Gruppe des Periodischen Systems, Chrom, Mangan oder eine Verbindung dieser Metalle, verwendet wird, die sich bei den oben angegebenen Reaktionsbedingungen in den metallischen Zustand zersetzt und keine vorgeformte Legierung dieser Metalle ist.

Verfahren zur Synthese von Diamanten

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. M. Licht,

München 2, Sendlinger Str. 55,

und Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal),

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. Dezember 1958 (Nr. 783 596)

Harold Paul Bovenkerk, Ballston Lake, N. Y,

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

b) Es ist ein Mindestdruck von ungefähr 50 000 at und eine Mindesttemperatur von ungefähr 1200° C erforderlich, wenn eine Legierung verwendet wird, die wenigstens aus zwei Metallen besteht, von denen wenigstens das eine ein Element der VIII. Gruppe des Periodischen Systems, Chrom oder Mangan, ist.

c) Es ist ein Mindestdruck von ungefähr 90 000 at und eine Mindesttemperatur von ungefähr 2050° C erforderlich, wenn als Katalysator Platin verwendet wird.

Die angeführten Metalle befinden sich bei den angegebenen Druck- und Temperaturbedingungen im geschmolzenen Zustand. Unter den angegebenen Bedingungen werden im allgemeinen nesterartig verteilte Diamantkristalle gebildet. In den meisten Fällen verhindert eine derartige Nesterbildung das normale Wachstum von einzelnen Kristallen, und es entstehen Diamanten mit unregelmäßigen Oberflächen und mit Fremdstoffeinschlüssen.

Es hat sich nun herausgestellt, daß man viel bessere Diamantkristalle erhält, wenn man die Wachstumsgeschwindigkeit der Diamantkristalle überwacht und Raum für das Wachstum einzelner Kristalle schafft. Dies wird bei einem Verfahren zur Synthese von Diamanten, bei dem Kohlenstoff in eine Reaktionskammer gebracht und zusammen mit einem Metall der VIII. Gruppe des Periodischen Systems, Chrom, Mangan oder Tantal, oder mit aus einer Legierung,

209 768/205

Das Ausgangsmaterial, aus dem Diamant gebildet wird, ist im wesentlichen eine nicht diamantförmige Form von Kohlenstoff, allgemein gesprochen ein kohlenstoffhaltiges Material. Die Bildung eines

5 Diamanten aus einem kohlenstoffhaltigen Material hängt nicht nur von der Qualität und Menge des vorliegenden Kohlenstoffs ab, sondern mehr davon, daß das Material Kohlenstoff enthält, wenn es den angewendeten Drücken und Temperaturen unter-

o worfen wird und bei denen der Katalysator wirkt. Durch die scheibenförmige Anordnung wird nicht nur bei der Reaktionsgefäßbeschickung eine größere Oberfläche als bisher erzielt, sondern es entstehen auch günstigere Wachstumsbedingungen für Diamanten.

die wenigstens eines dieser Metalle und wenigstens ein
anderes gegebenenfalls auch aus diesen Metallen ausgewähltes Metall enthält, gleichzeitig im Diamantbildungsbereich des betreffenden Metalls liegenden
Druck- und Temperaturbedingungen unterworfen
wird, nach der Erfindung dadurch erreicht, daß der
Kohlenstoff und das Metall in der Reaktionskammer
in Form von einander abwechselnden Schichten angeordnet werden.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform des in eine Presse eingebrachten Reaktionsgefäßes mit Beschickung,

Fig. 2 eine veränderte Ausführungsform des Reaktion sgefäßes und der Beschickung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Einrichtung zur 15 Es ist wichtig, daß geeignete und genügend Oberflächen Erzeugung der notwendigen Drücke und Temperaturen vorhanden und die Flächen und Mengen so verteilt in den Reaktionsgefäßen nach Fig. 1 und 2. sind, daß die günstigsten Kristallwachstumsbedingun-

Die Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform gen entstehen. Es wurde beobachtet, daß die Bildung des Reaktionsgefäßes 10, dessen Beschickung erfin- von Diamanten an der Grenzfläche zwischen kohlendungsgemäß angeordnet ist. Das Reaktionsgefäß 20 stoffhaltigem Stoff und Katalysator einsetzt und daß nach Fig. 1 ist ungefähr im Maßstab 1 : 1 gezeichnet. die Diamanten von der Katalysatoroberfläche in die Die einzelnen Abmessungen können jedoch ver- kohlenstoffhaltige Oberfläche hineinwachsen. Die schiedenen Kammern von geeigneten Einrichtungen Dicke der kohlenstoffhaltigen Schicht soll daher so zum Erzeugen von hohen Drücken wie Pressen u. dgl. groß sein, daß auch nach dem Zusammenpressen der angepaßt werden. Das Reaktionsgefäß 10 besteht aus 25 Schicht die Diamanten von den beiden Katalysatoreinem Zylinder 11 aus Pyrophyllit, Katlinit oder einem oberflächen ohne gegenseitige Störung in die Schicht anderen elektrisch nichtleitenden gesteinsähnlichen hineinwachsen können. Die Dicke der Katalysatoroder keramischen Werkstoff mit ähnlichen Eigen- schichten kann ohne Beschränkungen so gewählt schäften. Dieser Werkstoff muß beispielsweise Drücke werden, daß die Schicht auch unter den Reaktionsvon 100 000 Atmosphären oder mehr ohne Bruch 30 bedingungen noch vorhanden ist. Mit einer Dicke der oder Verlust seiner nichtleitenden Eigenschaften aus- Katalysatorscheibe von ungefähr 0,5 mm und mit einer halten und dabei noch die Fähigkeit besitzen, hohe Dicke der kohlenstoffhaltigen Scheibe von 2,5 mm Drücke im allgemeinen auf hydrostatische Weise zu erhält man ausgezeichnete Ergebnisse, übertragen. Der hohle Mittelteil 12 des Zylinders 11 Wie bereits erwähnt wurde, hängt die Kristallgröße

wird auf beiden Seiten durch eine Scheibe 13 aus einem 35 von der Dicke der kohlenstoffhaltigen Probe ab. Der elektrisch leitenden Werkstoff abgeschlossen. Die Diamant soll bei günstigen Wachstumsbedingungen allgemein mit 14 bezeichnete Beschickung besteht aus von jeder Katalysator-Probegrenzfläche in die Probe verhältnismäßig dünnen Scheiben 15 eines geeigneten hineinwachsen können, ohne daß er durch in die entKatalysators und ähnlichen Scheiben 16 aus nicht gegengesetzte Richtung wachsende Diamanten gestört diamantförmigem Kohlenstoff, aus dem Diamant 40 wird. Der Durchmesser der Scheiben und die Höhe entstehen kann. Diese Scheiben 15 und 16 sind über- der übereinandergeschichteten Scheiben können so

abgeändert werden, daß sie auch in anderen Reaktionsgefäßen verwendet werden können. Man erhält gute Ergebnisse, wenn man ungefähr vierzehn Katalysatorschickung abgeschlossen. Bei einer etwas haltbareren 45 scheiben und fünfzehn Probematerialscheiben verAnordnung können die Abschlußscheiben mit Zement, wendet. Die erste und letzte oder die oberste und beispielsweise Wasserglaszement, oder durch geeignete untere Scheibe ist dabei eine Katalysatorscheibe, die mechanische Einrichtungen am Zylinder 11 befestigt als Abschlußscheibe 13 verwendet wird, werden. Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform Es wurde gefunden, daß man bessere Ergebnisse

der Erfindung das diamantbildende Material und der 50 erzielt, wenn man im erfindungsgemäßen Verfahren Katalysator in Form von Scheiben verwendet werden, als Katalysator eine Legierung oder Legierungen der so können natürlich auch andere Formen verwendet bereits erwähnten Katalysatormetalle verwendet. Man werden, beispielsweise Bänder, Blätter, Streifen. erhält zwar auch befriedigende Ergebnisse mit un-

Das Reaktionsgefäß 10 ist mit einer Abschluß- legierten Katalysatoren. Diese wandern aber unter kappe 17 versehen, die aus einem elektrisch leitenden 55 Umständen im geschmolzenen Zustand durch den Ring 18 und aus einer Scheibe 19 besteht. Die kohlenstoffhaltigen Stoff. Neben anderen Vorteilen Scheibe 19 besteht aus demselben Werkstoff wie der können bei Verwendung einer Legierung die Tempe-Zylinder 11. Es können natürlich auch andere Ab- raturen und dementsprechend die Drücke bei der schlußkappen verwendet werden. Diamantbildung niedriger gehalten werden. Da eine

Als Katalysatoren werden Metalle bezeichnet, die 60 Legierung im geschmolzenen Zustand weniger bewegbei der Bildung von Diamanten als Katalysatoren lieh ist und bei der Diamantbildung niedrigere Tempewirken. Der Ausdruck »Katalysator« wird also genau raturen erfordert, bleibt die Anordnung der Probe in derselben Weise wie bei chemischen Reaktionen unter den Reaktionsbedingungen stabil, verwendet. Es hat sich herausgestellt, daß sich die Die als Katalysatoren verwendeten Legierungen

Metalle der VIII. Gruppe des periodischen Systems, 65 können in drei Gruppen eingeteilt werden. Zur ersten Chrom, Mangan, Tantal, und Legierungen dieser Gruppe gehören Legierungen, die ausschließlich aus Metalle als Katalysatoren bei der Diamantsynthese Katalysatormetallen bestehen. Zu den Katalysatoreignen, metallen gehören die Metalle der VIII. Gruppe des

einander im Zylinder 11 angeordnet. Durch die
deckelähnlichen Scheiben 13 an beiden Enden des
Zylinders 11 wird das Reaktionsgefäß mit der Be-

Periodischen Systems, Chrom, Mangan und Tantal. Diese Legierungen haben eine ähnliche Wirkung wie ihre Bestandteile, sind aber in einem anderen Temperaturbereich als Katalysatoren wirksam.

Zur zweiten Gruppe der Legierungskatalysatoren gehören Legierungen, die einen Bestandteil enthalten, der kein Katalysator ist. Beispiele dafür sind Nickel— Aluminium, Eisen—Molybdän, und Nickel—Kupfer. Durch den legierenden Bestandteil kann der Schmelz-

auch größer. Im allgemeinen sind bei Verwendung einer bestimmten Legierung die entsprechenden Drücke und Temperaturen festgelegt.

Es hat sich also herausgestellt, daß bei der Synthese 5 von größeren und besser ausgebildeten Diamantkristallen neben der geometrischen Anordnung der Reaktionsgefäßbeschickung auch der verwendete Katalysator wichtig ist. Die Legierungskatalysatoren werden den aus elementarem Metall bestehenden

punkt niedriger werden als der Schmelzpunkt des io Katalysatoren vorgezogen. Man erhält weiterhin Grundmetalls. Als Katalysator wirkt nur das ver- einen beträchtlich verbesserten Diamantkristall, wenn

dünnte Katalysatormetall.

Zur dritten Gruppe der Legierungskatalysatoren gehören Legierungen, die aus einem Katalysatormetall und einem oder mehreren Elementen bestehen, 15 die in starkem Maße Carbide bilden. Solche carbidbildende Metalle sind Titan, Zirkonium, Bor, Silicium, Vanadium, Chrom, Eisen, Mangan und Wolfram. Viele dieser stark carbidbildenden Elemente sind selbst

die Legierung ein carbidbildendes Element enthält, das die Diamantbildung begünstigt, den Diamant aber nicht zurückbildet.

Es können beispielsweise die folgenden Legierungen verwendet werden: Nickel—Chrom, Nickel—Eisen, Nickel—Platin, Nickel—Kobalt.

Die zur Diamantbildung erforderlichen Werte von Druck und Temperatur liegen bei Verwendung einer keine Katalysatoren. Mangan, Chrom, Kobalt und ao Legierung niedriger als bei Verwendung der Kataly-Eisen sind jedoch Katalysatormetalle und auch carbid- satormetalle für sich. Diese Druck- und Temperaturbildende Elemente. erniedrigung ist wichtig für die Durchführung der Die Wirkung von Legierungen, die carbidbildende Reaktion. Wird beispielsweise Nickel als Katalysator Elemente enthalten, scheint zweifach zu sein. Erstens verwendet, so beträgt der Druck ungefähr 75 000 bis wird der Schmelzpunkt wie bei Legierungen, die nur 25 80 000 Atmosphären und die Temperatur ungefähr aus Katalysatormetallen bestehen, erniedrigt. Zweitens 1500 bis 1600° C. Bei Verwendung einer Legierung verläuft die diamantbildende Reaktion viel besser, falls aus 80% Nickel und 20% Chrom beträgt der Druck ein stark carbidbildendes Element vorhanden ist. Es ungefähr 70 000 bis 75 000 Atmosphären und die ist derzeit noch nicht bekannt, in welcher Weise die Temperatur ungefähr 1400 bis 1500⁰C. Man erhält Bildung von Metallcarbiden die Diamantreaktion 30 bei Verwendung einer Legierung bessere Ergebnisse anregt. im mittleren Bereich, beispielsweise bei ungefähr Die carbidbildende Reaktion ist sehr stark. Falls 75 000 Atmosphären und 1500° C. Dies gilt wie bei Diamanten als Keimkristalle mit stark carbidbildenden den Elementen ganz allgemein für die Legierungen. Elementen zusammengebracht werden, entsteht schon Es können verschiedene Zusammensetzungen verbei Drücken und Temperaturen im diamantstabilen 35 wendet werden, um den Druck bis ungefähr 50 000 Bereich das Carbid auf Kosten des Diamanten, selbst Atmosphären und die Temperatur bis ungefähr 1300⁰C wenn noch anderer Kohlenstoff vorhanden ist. Man zu verringern.

beobachtet dieselbe Reaktion auch, wenn bei der Fig. 2 zeigt eine etwas abgeänderte Ausführungs-

Diamantsynthese eine carbidbildende Schicht, d. h. form des erfindungsgemäßen Reaktionsgefäßes mit eine carbidbildende Metallschicht, die auf einer nicht- 40 der Beschickung. Diese Ausführungsform eignet sich carbidbildenden Schicht liegt, oder eine Legierung, für Widerstandsheizung. Der in Fig. 2 gezeigte die einen hohen Prozentsatz eines carbidbildenden Zylinder 11, die Abdeckplatten 13 und die Abschluß-Elements enthält, verwendet wird. Die unter solchen kappen 17 sind ähnlich wie die entsprechenden Teile Bedingungen gebildeten Diamanten werden dort wieder in Fig. 1 ausgeführt. Der Durchmesser der Scheiben aufgelöst, wo die Konzentration der carbidbildenden 45 15 und 16 ist etwas kleiner, so daß diese Scheiben Elemente am größten ist. Es bleiben dann nur Teil- durch einen elektrisch leitenden Zylinder 20 umgeben kristalle zurück. Da Katalysatormetalle wie Eisen,
Kobalt und Mangan zur Carbidbildung neigen, wenn
sie in elementarer Form als Katalysatoren verwendet
werden, werden diese Elemente wegen dieser entgegen 50 Einstellung einer bestimmten Temperatur erleichtert der Diamantbildung verlaufenden Reaktion nicht in wird.

elementarer Form verwendet, wenn außerordentlich Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Einrichtung

große und gute Kristalle gebildet werden sollen. Es ist zum Erzeugen der für die Diamantbildung erforderdaher bei der Bildung von besseren Diamantein- liehen Bedingungen. Es können natürlich auch andere kristallen wichtig, daß man nur eine geringe Menge 55 Einrichtungen verwendet werden. Die in Fig. 3 eines carbidbildenden Elementes verwendet. Dieses dargestellte Einrichtung wird zwischen zwei druckcarbidbildende Element kann entweder zu einer übertragenden Teilen angeordnet. Beispielsweise kann Legierung zugesetzt oder in Form einer Schicht die Einrichtung zwischen zwei Druckstempeln einer verwendet werden. Werden zur Verringerung der großen Presse angebracht werden. Die Einrichtung carbidbildenden Reaktion noch andere Legierungs- 60 besteht aus zwei Stempeln 21 und 21', die aus einem bestandteile zugesetzt, so verläuft die diamantbildende sehr harten Werkstoff hergestellt sind, beispielsweise Reaktion bei Verwendung dieser Grundmetalle ein- aus Werkzeugstahl oder gehärtetem Wolframcarbid, wandfrei. Infolge erhöhter Temperaturkonstanz und wobei beide oder einer der Druckstempel gegengeometrischer Stabilität in Verbindung mit niedrigeren einander beweglich sind. Die Festigkeit der Stempel Drücken und Temperaturen werden weniger Diamant- 65 wird weiterhin noch durch Ringe 22, 23, 22' und 23' keime gebildet, so daß sich das Wachstum auch auf verstärkt, die aus Hartstahl bestehen und in der weniger Diamanten konzentriert. Diese Diamanten üblichen Weise aufgepreßt oder warm aufgezogen wachsen daher nicht nur besser, sonder sie werden wurden. Diese Ringe sind von einem Sicherheits

werden können. Auf diese Weise wird durch den durch den Zylinder 20 hindurchfließenden Strom die Beschickung teilweise indirekt erhitzt, wodurch die

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ring 24 umgeben, der aus Weicheisen hergestellt ist. verwendet werden. So können beispielsweise Druck-Über diesem Sicherheitsring 24 ist ein Zuleitungs- gefäße oder Autoklaven zur Schaffung der erforderring 25 für den elektrischen Strom angebracht. liehen Bedingungen verwendet werden. Zwischen und konzentrisch zu den Stempeln 21 und 21' Es wurde eine große Anzahl von Versuchen durchliegt ein Gurtensatz 26. Die Druckkammer-Innen- 5 geführt. Dabei wurden die Zeit, die Temperatur, der wand wird durch eine Matrize 27 mit konvergent- Druck, die Katalysatoren und andere Größen verdivergenten Wänden gebildet. Die Matrize 27 ist wie ändert. Im folgenden werden einige dieser Versuche die Stempel 21 und 21' von Ringen 29, 30 und 31 und ihre Ergebnisse angeführt, umgeben. Die einander gegenüberliegenden Ober- . .

flächen 32 und 32' der Stempel 21 und 21' sind konisch io Beispiel 1

ausgebildet und bilden mit der Senkrechten einen Das in Fig. 1 dargestellte Reaktionsgefäß 10 wurde

Winkel von ungefähr 30°. Wie aus der Zeichnung zu mit vierzehn Graphitscheiben und fünfzehn Katalyersehen ist, gehen die konischen Stirnflächen eines satorscheiben beschickt. Es wurde spektroskopisch Stempels langsam in eine Fläche über, die mit der reiner Graphit verwendet. Die Dicke der Graphit-Waagerechten einen Winkel von einigen Grad ein- 15 scheiben betrug 2,5 mm. Die Katalysatorscheiben schließt. Die nach außen sich erweiternde Öffnung 28 waren 0,5 mm dick. Als Katalysator wurde eine bildet zunächst mit der Senkrechten einen Winkel von Legierung aus 35% Nickel und 65% Eisen verwendet. 11 ° und geht dann in einer stetigen Krümmung nach Das Reaktionsgefäß 10 wurde dann in die Einrichtung außen in eine geneigte Fläche über, die mit der Hori- nach Fig. 3 eingesetzt und einem Druck von ungefähr zontalen einen Winkel von einigen Grad bildet. 20 70 000 Atmosphären ausgesetzt. Anschließend wurde

Die Fig. 1 stellt einen vergrößerten Ausschnitt aus so lange Strom durch das Reaktionsgefäß geschickt, Fig. 3 dar. Die Stempel 21 und 21' bilden zusammen bis eine Temperatur von 1450° C erreicht wurde. Die mit der Matrize 27 eine Reaktionskammer 33, in der Druck- und Temperaturbedingungen wurden ungefähr das Reaktionsgefäß 10 angeordnet ist. Zum Abdichten 10 Minuten lang konstant aufrechterhalten. Andes Reaktionsgefäßes in der Reaktionskammer 33 25 schließend wurde die Temperatur verringert und der und/oder zum Aufrechterhalten des Druckes im Druck entspannt. Das Reaktionsgefäß wurde aus der Reaktionsgefäß 10 wird eine Dichtungsanordnung 34 Presse entfernt und das Material zur Entfernung der verwendet. Eine bevorzugte Dichtungsanordnung für gebildeten Diamanten aus der Masse mit rauchender jeden Stempel 21 und 21' besteht aus einer kegel- Salpetersäure bei 300" C behandelt, stumpfförmigen Dichtung 35, die konzentrisch zur 3° . .

konischen Oberfläche 32 jedes Stempels 21 und 21' bei spiel 2

angeordnet ist, aus einer kegelstumpfförmigen Weich- Das in Fig. 1 dargestellte Reaktionsgefäß 10 wurde

eisendichtung 36, die konzentrisch über der Dichtung mit neun Graphitscheiben und zehn Katalysator-35 liegt, und einer weiteren im wesentlichen kegel- scheiben beschickt. Es wurde spektroskopisch reiner stumpfförmigen Dichtung 37, die konzentrisch auf 35 Graphit verwendet. Die Dicke der Graphitscheiben der Weicheisendichtung 36 aufliegt und sich in die betrug 2,5 mm. Die Katalysatorscheiben waren 0,5mm Reaktionskammer 33 erstreckt. Die beiden gleich dick. Als Katalysator wurde eine Legierung bestehend ausgebildeten Dichtungen 37 stoßen in der Reaktions- aus 80% Nickel und 20% Chrom verwendet. Das kammer 33 gegeneinander. Die Dichtungen 35 und 37 Reaktionsgefäß wurde in die Einrichtung nach Fig. 3 sind aus demselben Werkstoff wie der Zylinder 11 des 4° eingesetzt und einem Druck von ungefähr 75 000 Atmo-Reaktionsgefäßes 10. Die Dichtungsanordnung und Sphären unterworfen. Anschließend wurde durch das das Reaktionsgefäß sind in Fig. 3 auseinanderge- Reaktionsgefäß so lange Strom hindurchgeschickt, bis zogen dargestellt. eine Temperatur von 1500³ C erreicht wurde. Die

Der Druck im Reaktionsgefäß wird erzeugt, indem Druck- und Temperaturbedingungen wurden 15 Mieiner der beiden Stempel 21 und 21' oder auch beide 45 nuten lang konstant gehalten. Nach dieser Zeit wurde Stempel 21 und 21' gegen das Reaktionsgefäß 10 die Temperatur verringert und der Druck entspannt. bewegt werden. Das Reaktionsgefäß 10 wird durch Das Reaktionsgefäß wurde aus der Presse entnommen eine elektrische Heizung auf die entsprechenden und das Material zur Entfernung der gebildeten Temperaturen gebracht. Zur elektrischen Heizung Diamanten aus der Masse bei 100° C mit rauchender gehören die beiden Stromzuleitungsringe 25, die mit 50 Salpetersäure behandelt.

den Stempeln 21 und 21' verbunden und an eine Die angeführten Versuche wurden sehr oft wieder-

Spannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen holt. Dabei wurden Temperaturen im Bereich von sind. Der Strom fließt von einem Zuleitungsring 25 1400 bis 1600° C, Drücke im Bereich von 65 000 bis durch die Ringe 24, 23 und 22, durch den Stempel 21, 80 000 Atmosphären, Versuchszeiten im Bereich von durch den Ring 18 des Reaktionsgefäßes 10, durch 55 wenigen Sekunden bis 90 Minuten, verschiedene die Abschlußscheiben 13, dann durch die leitenden Legierungskatalysatoren und Graphit mit einem Rein-Scheiben 15 und 16 (Fig. 1) oder durch den Zylinder 20 heitsgrad von 99 bis 99,9% Kohlenstoff verwendet. (Fig. 2). Bei der Reaktorgefäßausführung nach Fig. 1 Beispielsweise wurde eine aus 72 Gewichtsprozent wird die Beschickung durch Widerstandsheizung auf Nickel, 6 bis 10 Gewichtsprozent Eisen und 14 bis die entsprechende Temperatur gebracht, und bei der 60 17 Gewichtsprozent Chrom bestehende Legierung, Reaktorgefäßausführung nach Fig. 2 wird die Be- eine aus 80 Gewichtsprozent Nickel und 20 Gewichtsschickung teilweise indirekt elektrisch erhitzt. Der prozent Eisen bestehende Legierung und eine aus Heizstromkreis wird über die untere Scheibe 13, den 65 Gewichtsprozent Eisen und 35 Gewichtsprozent Ring 18, den Stempel 21, den Ringen 22, 23, und 24' Nickel bestehende Legierung verwendet. und dem unteren Zuleitungsring 25' geschlossen. 65 Bei allen Versuchen wurden Diamanten außerordent-

Neben der eben beschriebenen Einrichtung können lieh guter Qualität erhalten. Die durchgeführten natürlich auch andere geeignete Einrichtungen zum Prüfungsverfahren ergaben, daß Diamanten gebildet Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen wurden. Neben anderen Prüfungen wurden von den

Diamanten auch Röntgenstrahlenbeugungsbilder aufgenommen. Die Röntgenstrahlenbeugung der gemäß der Erfindung synthetisierten Diamanten stimmt mit der Beugung natürlicher Diamanten überein. Die Röntgenstrahlenbeugung der synthetisierten Diamanten jwurde mit CuKa-Strahlung in einer Debye-Scherrer-Kammer von 5 cm Radius aufgenommen. In der folgenden Tabelle werden die aus den Debye-Scherrer-Aufnahmen entnommenen Werte für die Abstände der Kristallflächen {d in Angstrom) mit den theoretischen Werten für Diamanten verglichen.

Fläche	Gemessener Wert	Theoretischer Wert
111	2,05	2,060
220	1,26	1,262
311	1,07	1,076
400	0,89	0,8920
331	0,82	0,8185

Die gemäß der Erfindung erhaltenen Diamanten wurden auch durch Mikroverbrennung auf ihren Kohlenstoffgehalt geprüft. Die Ergebnisse zeigten, daß die erfindungsgemäßen Diamanten mehr als 99°/₀ Kohlenstoff enthalten. Der Kohlenstoffgehalt natürlicher Diamanten beträgt 80 bis 100%· Mit den erfindungsgemäß synthetisierten Diamanten wurden auch Ritzversuche durchgeführt. Dabei konnten mit den erhaltenen Diamanten natürliche Diamanten geritzt werden.

Die Dichte der synthetisierten Diamanten wurde nach dem bekannten Schwebeverfahren in einer Flüssigkeit bekannter Dichte bestimmt. Die Dichte der natürlich vorkommenden Diamanten beträgt ungefähr 3,5 g pro Kubikzentimeter. Für die Dichte der gemäß der Erfindung erhaltenen Diamanten ergab sich ein Wert von ebenfalls ungefähr 3,5 g pro Kubikzentimeter.

ίο

Bei Verwendung des Reaktionsgefäßes mit der erfindungsgemäß angeordneteten Beschickung ergeben sich für die Synthese von Diamanten günstigere Bedingungen, beispielsweise eine günstigere Temperaturverteilung, eine günstigere Wachstumsgeschwindigkeit und eine konstante Anordnung der Beschickung. Infolge dieser Bedingungen entstehen bessere und größere Diamanten.

Die in der Beschreibung angegebenen spezifischen ίο Drücke stehen in Beziehung zu Änderungen des elektrischen Widerstandes gewisser Elemente, wie sie beispielsweise von P. W. Bridgman bestimmt worden sind (vgl. »Proceedings of American Academy of Arts and Sciences«, 81, S. 165ff. (März 1962).

Claims

PATENTANSPRUCH:

Verfahren zur Synthese von Diamanten, bei dem nicht diamantförmiger Kohlenstoff in einer Reaktionskammer angeordnet und zusammen mit einem Metall der VIII. Gruppe des Periodischen Systems, Chrom, Mangan oder Tantal, oder mit einer Legierung, die wenigstens eines dieser Metalle und wenigstens ein anderes, gegebenenfalls auch aus diesen Metallen ausgewähltes Metall enthält, im diamantbildenden Bereich des betreffenden Metalls liegenden Druck- und Temperaturbedingungen unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff und das Metall bzw. die Legierung in der Reaktionskammer in abwechselnden Schichten angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Nature vom 9. 7. 1955, S. 51 bis 55; vom 15. 3. 1958,

S. 758 bis 759;

Angewandte Chemie, 69, (1957), S. 551 bis 557; Chemie—Ingenieur—Technik, 28 (1956), S. 141 bis

152.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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