Промышленные способы получения алмаза

В  настоящее время промышленное производство синтетических алмазов осуществляется с применением пресс-установок высокого давления, успешно работающих при температурах до 2500 К.  В процессе развития теории и практики получения искусственных алмазов выявилась необходимость создания камеры высокого давления достаточно большого объема (десятки см³), в которой в течение длительного времени можно поддерживать постоянные температуры и давления.  При этом необходимо обеспечить минимальные градиенты Т и Р в рабочем объеме. При такой КВД для синтеза алмазов позволяет получать не только высококачественный алмазный порошок, но и совершенные кристаллы алмаза.

 Существуют 4 основных типа аппаратов высокого давления (АВД):

1. Аппарат типа поршень-цилиндр

2. Аппарат типа наковальня-цилиндр

3. Аппарат типа наковальни

4. Многопуансонные аппараты, включающие несколько наковален, сжатие в них достигается за счет прокладок, помещаемых между пуансонами.

На предприятиях отрасли наибольшее применение находят АВД типа наковален с углублениями в виде сферы («чечевицы»), разработанные в Институте сверхтвердых материалов (ИСМ) АН УССР на  основе лабораторного АВД института физики высоких давлений АН СССР.

Общее устройство типа «чечевица» представлено на рисунке 1.

 

Рисунок 1 –  Общее устройство типа «чечевица».

Аппарат состоит из двух матриц с углублениями плавной сферической формы на рабочих поверхностях, контейнера для реакционной шихты, нагревателя и двух опорных плит. Матриц скреплены многослойными кольцами. Аппарат приводится в действие от гидравлического пресса. Высокое давление в аппарате создается при сближении матриц вследствие запирающего действия избытка материала контейнера, который вытекает из рабочей полости в начальный период сжатия. Диапазон рабочих давлений в аппарате составляет 50 – 100 кбар в зависимости от формы углубления. Рабочая температура в реакционной зоне может достигать 2800 К. Срок службы матриц в зависимости от применяемого давления, температуры, длительности выдержки и материала колеблется от 50 до 300 рабочих циклов. Аппарат может применяться с прессами усилием от 200 до 2000 тонн.

Контейнер выполняет функцию емкости для реакционной шихты, функцию передающего давления материала, служит тепло и электроизолятором. Он должен также выдерживать  высокие  давления, возникающие при снаряжении. Обычно для изготовления контейнера используются глиноподобное вещество пирофиллит (Al₂O₃∙SiO₂∙4Н₂О), литографский камень (СaCO₃)  и другие материалы. Контейнеры могут быть изготовлены с реакционной зоной различного объема.

Геометрические  размеры контейнера обычно несколько больше, чем объем  полости камеры. Поэтому при сдавливании материал контейнера начинает продавливаться в зазор между краями лунок. Далее на краях лунок создается такое давление, что растекание материала контейнера прекращается. При этом по всему краю лунок образуется запирающий слой из материала контейнера. Процесс продолжает сжимать блок-матрицы, генерируя давление уже в реакционной зоне.

Матрицы выполняются из твердого сплава ВК – 6 или из особо прочных марок сталей сдавливание матриц на прессе производится снизу, сверху матрицы сдерживает массивная станина пресса. Для усиления твердосплавных вставок на каждую одевают 3 скрепляющих стальных кольца марки 30ХГСА. Матрицу со скрепляющими кольцами принято называть блок-матрицей.

Опорные плиты представляют собой стальной корпус, в который запрессована вставка из твердого сплава ВК – 15. В процессе работы блок-матрицы и плиты сильно нагреваются, что ускоряет их износ. Для теплоотвода на них одеваются охлаждаемые водой холодильники.