BAGRIANTSEV DMITRI (RU)
MARTIN PARRONDO RAMON (ES)
BAGRIANTSEV DMITRI (RU)
| US4301134A | 1981-11-17 | |||
| US6030595A | 2000-02-29 | |||
| US4147255A | 1979-04-03 |
| 1. | REIVINPICACIONES 1a. Cápsula de reacción y elementos para Ia producción de síntesis del diamante que, mediante el método de gradiente de temperatura, se caracteriza porque en Ia cápsula se utilizan unos discos calefactores en los extremos de Ia zona de calefacción, para obtener el gradiente vertical de temperatura que constan de un material aislante eléctrico (ZrO2O3, AI2O3, otros óxidos refractarios), un material conductor eléctrico (grafito, W, Mo, otros metales refractarios), un material intermedio que hace de plastificador (NaCI, CsCI, otras sales, MoO, otros óxidos refractarios). Estos tres componentes se mezclan en forma pulverulenta en Ia siguiente proporción porcentual en peso: 5040; 520; 5040, respectivamente. El gradiente óptimo se obtiene mediante las siguientes variables: Composición del disco calefactor; grosor, tamaño, forma y posición de los cristales eléctricos. Como norma Ia resistencia eléctrica del disco calefactor inferior debe ser menor que Ia del superior. |
| 2. | 2a. Cápsula de reacción y elementos para Ia producción de síntesis del diamante que, de acuerdo con Ia reivindicación. |
| 3. | , se emplea una fuente de carbono (grafito, carbono amorfo, diamante u otro), con una geometría formada por huecos cilindricos y cónicos, que minimiza Ia cantidad de metal disolvente necesario. Dicho disolvente se introduce en Ia cápsula en forma de aleación comercial sólida, con un mínimo contenido en gases. 3a. Cápsula de reacción y elementos para Ia producción de síntesis del diamante, que de acuerdo con Ia reivindicaciones anteriores, se caracteriza porque se emplea un captador de nitrógeno (Al, Ti, Hf y otros) fuera de Ia zona de crecimiento del diamante, evitándose de esta manera Ia formación de nitruros, carburos, óxidos u otras fases indeseables para el crecimiento del diamante. Las fases de que consta son las siguientes: El captador de nitrógeno (Al, Ti, Hf y otros) en forma de polvo se mezcla con material aislante (AI2O3 , ZrO2, MgO, otros óxidos refractarios); las proporciones de esta mezcla permiten el control de Ia coloración de los cristales del diamante; y una membrana permeable permite también Ia regulación del color del diamante (fijación del nitrógeno). 4a. Cápsula de reacción y elementos para Ia producción de síntesis del diamante, que de acuerdo con Ia reivindicaciones anteriores, se caracteriza porque el proceso de producción de síntesis de monocristales de diamante se realiza introduciendo en Ia máquina de alta presión y temperatura, un juego de punzones de WC, un juego de juntas de alta presión y una cápsula de reacción debidamente ajustados. A continuación se somete a presión hidráulica Ia máquina de alta presión hasta el valor necesario previamente calibrado entre 4,5 GPa y 6,5 GPa. Se aumenta Ia temperatura del interior entre 1350 0C y 1650 0C, de Ia cápsula mediante potencia eléctrica hasta un valor apropiado. Se mantiene dicha potencia durante un tiempo programado. Finalmente, se baja Ia temperatura y Ia presión finalizando el ciclo. A continuación se extrae Ia cápsula, se abre y se observan los productos. 5a. Cápsula de reacción y elementos para Ia producción de síntesis del diamante, que de acuerdo con Ia reivindicaciones anteriores, se caracteriza porque todos los cristales de diamante Ib son de color amarillo y forma de cristal octaédrica o cubo octaédrico, con una concentración de nitrógeno comprendido entre 50 y 150 ppm; velocidad de crecimiento más de 7 mg/h y peso de los cristales más de 3 quilates. 6a. Cápsula de reacción y elementos para Ia producción de síntesis del diamante, que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, se caracteriza porque todos los cristales de diamante ligeramente coloreados, el color del cristal se regula mediante el grosor de Ia membrana y Ia cantidad de captador presente en Ia mezcla, obteniéndose cristales mayores de 1,0 quilates en peso. 7a. Cápsula de reacción y elementos para Ia producción de síntesis del diamante, que de acuerdo con Ia reivindicaciones anteriores, se caracteriza porque se ha obtenido cristales blancos válidos para aplicaciones decorativas, cuyo color se regula mediante el grosor de Ia membrana y Ia cantidad de captador presente en Ia mezcla, que está formado de Ti y Al. 8a. Cápsula de reacción y elementos para Ia producción de síntesis del diamante, que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, se caracteriza porque en Ia obtención de cristales azules se emplean los mismos parámetros que para cristales blancos, con Ia particularidad de incluir distintas ppm de boro, al objeto de conseguir distintos colores azules hasta el azul opaco. |
CAPSULA Y ELEMENTOS PARA LA PRODUCCIÓN DE SÍNTESIS DEL
DIAMANTE
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención corresponde a una cápsula con distintos elementos que se incorporan a una máquina de alta presión y temperatura, al objeto de que por el método de crecimiento del diamante mediante gradiente de temperatura, se obtenga Ia síntesis de monocristales de diamante en su interior de los tipos Ib, Ha y Hb.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Normalmente los diamantes obtenidos mediante síntesis a altas presiones y temperaturas son los llamados tipo Ib y contienen cientos de ppm de nitrógeno en su red cristalina. Debido a este contenido estructural en nitrógeno, los cristales de diamante poseen un color que va desde el amarillo claro hasta un amarillo denso.
Esta limitación suele repercutir en un menor valor para Ia joyería.
Por otra parte, este color, puede ser sustraído mediante Ia Introducción de un captador de nitrógeno en Ia zona de reacción, mezclado con el disolvente. De esta forma, el disolvente se ve libre del nitrógeno disuelto, debido a que éste reacciona con el captador, produciendo distintos compuestos como nitruros, carburos, compuestos
Intermedios varios y sus combinaciones. Esta competencia por el nitrógeno del captador con el carbono hace que entre menos nitrógeno en Ia red cristalina del diamante, que está creciendo, proporcionando cristales sustancialmente libres de nitrógeno.
Estos cristales son del tipo denominado Ha y debido a Ia rareza de estos cristales en Ia naturaleza, al ser incoloros y a sus excelentes propiedades de conductividad térmica y dureza, estos cristales son de gran valor en el mercado.
El inconveniente de estos cristales es que su producción es extraordinariamente difícil, debido sobre todo a que Ia reacción de competencia del captador de nitrógeno produce muchos compuestos que permanecen en suspensión, posibilitando su entrada dentro del monocrista!, que está creciendo en forma de inclusión. Este hecho hace difícil Ia obtención de cristales tipo Ha de gran tamaño y a su vez, gran pureza. Además, conseguir eliminar el nitrógeno de Ia red cristalina del
diamante implica que durante el proceso puedan entrar otro tipo de impurezas, como sucede con el boro. Los cristales de diamante con impurezas de boro son conocidos como tipo Ilb y poseen un color azul.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención consiste en conseguir con Ia cápsula que se presenta un gradiente vertical favorable para el crecimiento de diamantes, prevaleciendo sobre cualquier gradiente radial por medio de discos calefactores en los extremos de Ia zona de calefacción, Io cual implica un gran control sobre las condiciones de crecimiento. Mas concretamente, sobre Ia velocidad de crecimiento. Y este control riguroso sobre Ia velocidad de crecimiento, posibilita, a su vez, un mejor control de Ia calidad en grandes cristales. Otra novedad importante es emplear una fuente de carbono con un diseño especial formado por huecos cilindricos y cónicos (grafito, carbono amorfo, diamante u otro) con un metal disolvente con un número de gases que se introducen en Ia cápsula.
Asimismo se utiliza un captador de nitrógeno para evitar Ia formación de nitruros, carburos, óxidos, que son perjudiciales para el crecimiento que como novedad importante se coloca fuera de Ia zona de reacción, es decir, sin entrar en contacto directo con el disolvente empleado. De esta forma, al no haber contacto directo entre el disolvente y el captador de nitrógeno, se eliminan los problemas de inclusiones de los compuestos de reacción entre el nitrógeno, el carbono y el captador. Estos compuestos se producen y se mantienen fuera de Ia zona de crecimiento del diamante, siendo por Io tanto, extremadamente difícil su inclusión dentro del monocristal. Ello es posible dado que el nitrógeno que se encuentra dentro de Ia cámara de reacción posee normalmente gran movilidad por difusión, entrando en contacto con el captador, que actúa como trampa de nitrógeno, fijándolo en los alrededores de Ia zona donde se encuentra e impidiendo que vuelva a entrar en Ia zona de crecimiento.
Otra novedad importante que tiene Ia presente invención es el diseño de las juntas en forma de marco.
Por todo ello, Ia relación de ventajas que Ia invención preconiza respecto al estado de Ia técnica anterior son las siguientes:
CÁPSULA:
1. Mejor control del gradiente de temperatura mediante el uso de los elementos calefactores superior e inferior, que permite las siguientes ventajas: • Cambio del gradiente de temperatura sin modificación de Ia composición ni dimensiones de Ia zona de crecimiento del cristal o cristales.
• Cambio del gradiente de temperatura para conseguir una mayor velocidad de crecimiento y una elevada calidad del cristal o cristales.
2. Mayor facilidad de preparación y fabricación de Ia carcasa, debido a que está constituida de una mezcla de sales y óxidos refractarios comerciales de composición bien definida, frente al uso de piro filita u otros materiales que pueden diferir en propiedades. 3.
4. . La forma y proporción de Ia fuente de carbono permite el crecimiento de cristales mayores con menos cantidad de cristal disolvente.
CAPTADOR O "GETTER" 1. La colocación del captador o "setter" (en adelante captador) fuera de Ia zona de crecimiento permite evitar Ia presencia de cuerpos o compuestos no favorables para el crecimiento del diamante, como pudieran ser carburos, nitruros, óxidos u otros.
2. Control bueno y fácil del color del diamante entre 0 y 5.0-10.0% del captador. 3. La obtención de cristales blancos no es sensible a un exceso de captador si supera aproximadamente el 15.0%. Esta propiedad hace el proceso muy fiable.
JUNTAS
1. El diseño de Ia junta en forma de marcos facilita Ia fabricación de los elementos que Ia componen.
2. El diseño de Ia junta en forma de marcos facilita su montaje en Ia máquina de alta presión y alta temperatura.
3. No posee elementos dañinos para el medio ambiente o Ia salud, tales como sustancias pulvurulentas o cancerígenas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Figura 1 : Sección de Ia cápsula de alta presión y alta temperatura para Ia síntesis de un monocristal confinado a alta presión Figura 2: Junta de alta presión
Figura 3: Sección de Ia cápsula de alta presión y alta temperatura para síntesis de monocristal tipo Ib
Figura 4: Representación de Ia dependencia cualitativa de Ia resistencia eléctrica del disco calefactor en función el porcentaje en peso del componente conductor de Ia electricidad.
Figura 5: Representa Ia cantidad de N en ppm que va a permanecer dentro del diamante en función del peso del captador contenido en el aislamiento.
Figura 6: sección de Ia parte interna de Ia cápsula para Ia síntesis de cristales tipo Ma y Nb
Figura 7: Representa como se mejora con el sistema de Ia invención, con discos calefactores en los extremos, Ia velocidad de crecimiento en relación al tiempo, respecto a los sistemas convencionales , a igualdad de calidad.
FORMA DE REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La cápsula de alta presión y alta temperatura que Ia invención preconiza para
Ia síntesis de un monocristal confinada a alta presión consta de los siguientes elementos que están determinados por:
1. Punzón de carburo de wolframio (WC)
2. Junta de alta presión 3. Carcasa de Ia cápsula
4. Tableta perforada inferior y superior
5. Electrodo de molibdeno
6. Elemento de calefacción superior
7. Elemento de calefacción inferior 8. Tubo de grafito
9. Fuente de carbono
10. Metal disolvente
11. Monocristal sintetizado
12. Semilla de diamante
13. Aislamiento.
Los discos calefactores (6) y (7) que permiten Ia obtención de un gradiente vertical para un crecimiento de diamantes están colocados en los extremos de Ia zona de calefacción. Dicho gradiente permanece sobre cualquier gradiente radial.
Los discos calefactores constan de: a) un material aislante eléctrico (ZrO 2 , AI 2 O 3 , otros óxidos refractarios) b) un material conductor eléctrico (grafito, W, Mo, otros metales refractarios) c) un material intermedio que hace de plastificados (NaCI, CsCI, otras sales, MoO, otros óxidos refractarios.) Estos tres componentes se mezclan en forma pulverulenta en Ia siguiente proporción porcentual en peso: a) 50-40 b) 5-20 (tal como se específica en Ia Figura 4). c) 50-40 El gradiente óptimo se obtiene mediante las siguientes variables:
- Composición del disco calefactor
- Grosor
- Tamaño, forma y posición de los contactos eléctricos
Como norma, Ia resistencia eléctrica del disco calefactor inferior debe de ser menor que Ia del superior.
Empleo de una fuente de carbono (9) (grafito, carbono amorfo, diamante u otro), con una geometría tal que minimiza Ia cantidad de metal disolvente necesario. Dicha fuente de carbono puede utilizar las distintas formas representadas en Ia figura 3a, 3b y 3c, donde se observa que pueden ser de hueco cilindrico y cónico. El disolvente se introduce en Ia cápsula en forma de aleación comercial sólida con un mínimo contenido en gases.
El captador de nitrógeno (Al, Ti, Hf y otros) se emplea fuera de Ia zona de crecimiento del diamante. El nitrógeno es secuestrado por el captador fuera de Ia zona de crecimiento del diamante, evitándose de esta manera Ia formación de nitruros, carburos, óxidos u otras fases indeseables para el crecimiento del diamante.
Se procede de Ia siguiente forma:
- El captador de nitrógeno (Al, Ti, Hf y otros) en forma de polvo se mezcla con material aislante (AI 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, otros óxidos refractarios).
Las proporciones de esta mezcla permiten el control de Ia coloración de los cristales del diamante
Una membrana permeable permite también Ia regulación del color del diamante (fijación de nitrógeno)
El diseño de Ia junta de alta presión está formado por elementos que facilitan el montaje en Ia máquina de alta presión y alta temperatura, ya que está compuesta por marcos como son: marco de acero (14), marco de aluminio (15) y material aislante de fibra de aránido y fibra mineral (16), tal como se especifica en Ia figura 2.
EJEMPLOS Todos los ejemplos se han realizado siguiendo el siguiente esquema general:
- Se introducen en Ia cámara de alta presión y temperatura un juego de punzones de WC, un juego de juntas de alta presión y una cápsula de reacción debidamente ajustados. A continuación se somete a presión hidráulica Ia máquina de alta presión, hasta el valor necesario previamente calibrado. Se aumenta Ia temperatura del interior de Ia cápsula mediante potencia eléctrica hasta un valor apropiado. Se mantiene dicha potencia durante un tiempo programado. Finalmente, se baja Ia temperatura y Ia presión, finalizando el ciclo. A continuación se extrae Ia cápsula, se abre y se observan los productos.
EJEMPLOS 1-5
Para el crecimiento de cristales amarillos tipo Ib se emplea Ia cápsula de Ia figura 3, que consta de los siguientes elementos específicos:
1. Punzón de carburo de wolframio 2. Junta de alta presión
3. Carcasa de Ia cápsula
4. Tapa perforada inferior
5. Electrodo de molibdeno
8. Tubo de grafito
9. Fuente de carbono
10. Metal disolvente
12. Semilla de diamante
13. Aislamiento
17. Disco calefactor superior
18. Disco calefactor interior
19. Disco matriz
20. Placa de platino 21 Disco de molibdeno
Se ajusta el gradiente de temperatura entre 10 y 5O 0 C y se emplea como fuente de carbono grafito cristalino. Los resultados se exponen en Ia tabla 1.
Todos los cristales se caracterizan por ser de color amarillo y forma del cristal octaédrica o cubo octaédrica. La concentración de nitrógeno está entre 50 y 150 ppm. Las inclusiones metálicas se concentran en Ia zona de Ia semilla inicial.
TABLA 1
EJEMPLO 6
Se emplea como fuente de carbono diamante sintético en polvo. Las condiciones son iguales a las del ejemplo 1. Tras 85 horas de mantenimiento se obtiene un cristal de 3,6 quilates con una concentración de nitrógeno de 120 ppm.
EJEMPLOS 7-11
Para el crecimiento de cristales ligeramente coloreados se emplean Ia cápsula de Ia figura 6, que consta de los siguientes elementos:
8. Tubo de grafito 9. Fuente de carbono
10. Metal solvente
12. Semilla de diamante
13. Aislante
17. Disco calefactor superior 18. Disco calefactor inferior
21. Disco de molibdeno
22. Membrana permeable de altura H
23. Superficie c. inferior 24 Placa de Pt
Se ajusta el gradiente de temperatura entre 10 y 40 0 C y se emplea como fuente de carbono grafito cristalino. El color de los cristales de diamante se regula mediante el grosor, H, de Ia membrana 22 y Ia cantidad de captador presente en Ia mezcla 23.
Se han obtenido cristales hasta 5'5 quilates en peso y diferentes coloraciones. En todos los cristales se encuentran inclusiones metálicas en Ia zona de Ia semilla. Tales inclusiones no impiden su aplicación comercial. La cápsula de Ia figura 6 Los resultados se exponen en Ia tabla 2.
TABLA 2
*Relaclón en % entre ei peso del captador Wg, y el disolvente, Wd: Wg/Wd.100 **G.I.A. Gemmological ¡nstitute of America
EJEMPLOS 12 Y 14
Para el crecimiento de cristales blancos se emplea Ia cápsula de Ia figura 6.
Se ajusta el gradiente de temperatura entre 10 y 3O 0 C y se emplea como fuente de carbono grafito cristalino.
El color de los cristales de diamante se regula mediante el grosor H de Ia membrana 22 y Ia cantidad de captador presente en Ia mezcla 23. El captador empleado ha sido Ti y Al. La velocidad de crecimiento se ha ajustado entre 2 y 8 mg/h. Se han obtenido cristales blancos hasta 1'8 quilates validos para aplicaciones decorativas. En todos los cristales se encuentran inclusiones metálicas en Ia zona de Ia semilla. Los resultados se exponen en Ia tabla 3.
TABLA 3
*Relación en % entre el peso del captador, Wg, y el del disolvente, ** G.I.A. Gemmological Institute of America
EJEMPLOS 15 Y 16
Para el crecimiento de cristales azules se emplea Ia cápsula de Ia figura 6. Se emplean los mismos parámetros de presión y temperatura y gradiente de los ejemplos 12-14. Se introduce entre 1 y 60 ppm de B en el metal disolvente. Se obtienen cristales de distinto color azul. Los resultados se exponen en Ia tabla 4.
TABLA 4