Область техники

Изобретение относится к технологии получения аллотропных модификаций углерода и может быть использовано, в частности, для синтеза кристаллов алмазов, получения лонсдейлита, фуллеренов, стеклоуглерода и т.п.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известны различные способы получения аллотропных модификаций углерода, в частности, искусственных алмазов. Как правило, все эти способы отличаются приближением к естественному возникновению природных алмазов, т.е. характеризуются сочетанием очень высокого давления и высокой температуры.

Известен способ получения искусственных алмазов в условиях сочетания высоких температур и давлений, раскрытый в патенте SU 339133, опубликованном 20.04.2000, в котором превращение графита в алмаз осуществляют непосредственно из графита при давлениях выше 170 тыс. кг/см ² и температурах выше 3000°С. Основным недостатком данного способа является его высокая технологическая сложность и, как следствие, значительная себестоимость получаемой продукции.

Кроме того, из уровня техники известны различные способы получения искусственных алмазов, в которых применяют взрыв «обычного» взрывчатого вещества, или взрыв проволоки большим импульсом тока. Сущность способа получения алмазов методом взрыва заключается в том, что при подрыве в замкнутом пространстве взрывчатого вещества на пограничном слое «ударная волна - препятствие» создается одновременно и высокое давление и высокая температура. Давление может достигать свыше 300 000 атм, температура - десятки тысяч градусов. В частности, известен способ получения легированных ультрадисперсных алмазов, раскрытый в патенте RU 2202514, опубликованном 20.04.2003, который включает формирование заряда углеродосодержащего взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом, окружение заряда взрывчатого вещества охлаждающей жидкостью, размещение заряда взрывчатого вещества в герметичной взрывной камере, инициирование его детонации, извлечение из взрывной камеры конденсированных продуктов детонации и выделение ультрадисперсных алмазов. В качестве охлаждающей жидкости используют насыщенный раствор химического соединения, содержащего легирующий элемент. Этот способ дает выход продукции намного больше в процентном отношении от количества графита, чем способ высокого давления, но ему присущи такие недостатки, как сложность и высокая себестоимость используемого технологического оборудования. Кроме того, размеры получаемых кристаллов алмазов очень маленькие (30 - 50 мкрн).

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения алмазов из графита, раскрытый в патенте US 5,318,423, опубликованном 07.06.1994, в котором преобразование графита в алмазы осуществляется воздействием электроимпульсом на графит, находящийся под высоким давлением в электролите.

Недостатком данного способа также является его технологическая сложность и высокая себестоимость.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является упрощение технологического процесса получения аллотропных модификаций углерода, таких как, например, алмаз, лонсдейлит, фуллерены, стеклоуглерод, и, соответственно, снижение себестоимости конечного продукта, получаемого при реализации заявленного способа.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения аллотропных модификаций углерода, включающем электрическое воздействие на углерод в жидкой среде, в качестве электрического воздействия используется электрогидравлическая обработка полидисперсной системы, состоящей из жидкой дисперсионной среды и твердой дисперсной фазы. В качестве полидисперсной системы может быть использована ультрамикрогетерогенная система с размерами частиц дисперсной фазы 10 ^"7 - 10 ^"9 м. При этом в качестве дисперсионной среды может быть использована жидкость с водородным показателем (рН) в диапазоне от 6 до 9, в зависимости от конкретной величины которого подбираются оптимальные величины удельного сопротивления и проводимости дисперсионной среды. Отношение дисперсионной среды к твердой дисперсной фазе может составлять 50:50. Кроме того, электрогидравлическая обработка полидисперсной системы может осуществляться в присутствии катализатора, такого как железо, или никель, или родий, или палладий, или платина.

В основу заявленного способа получения аллотропных модификаций углерода положены возможность осуществления для конкретного вещества при определенных условиях прямого фазового перехода и преимущество электрогидравлического эффекта, которое заключается в большой надежности и воспроизводимости процесса, возможности его автоматизации.

При пробое жидкости специально сформированным высоковольтным импульсным разрядом в её толще возникают сверхвысокие ударные гидравлические давления порядка 1x10 -1x10 атм., и мощные кавитационные процессы. Это позволяет создавать мощные гидравлические удары с заданной частотой - от долей Гц до нескольких десятков Гц. Продолжительность каждого удара - несколько сотых 50-100 мкс долей секунды. КПД преобразования электроэнергии в этих установках более 90%.

При импульсном электрическом разряде в жидкости происходит быстрое вьщеление энергии в канале разряда. В результате давление в канале разряда значительно превышает внешнее, канал быстро расширяется, что приводит к возникновению ударной волны и потоков жидкости.

Ударная волна представляет собой скачок плотности среды, распространяющейся от канала со скоростью, превышающей звуковую. Давление на фронте ударной волны в жидкости может достигать десятков килобар. Воздействие этого давления на обрабатываемый объект вызывает структурную перестройку материала объекта. Потоки жидкости, распространяющиеся со скоростью 10 ^-10 м/с, передают кинетическую энергию обрабатываемому объекту, вызывая, как и ударная волна, его механические изменения.

При импульсном электрическом разряде в жидкости быстрое вьщеление энергии характеризуется высокими значениями температур в канале разряда. Однако, при воздействии электрическим разрядом на жидкую среду при температуре 12 - 30° С, иначе говоря, при комнатной температуре, жидкая среда выполняет функцию охлаждения.

Кроме того, среди особенностей процессов, возникающих при обработке жидкой среды импульсными высоковольтными электрическими разрядами, можно отметить не только физико-механическую, но и физико-химическую природу таких процессов, а именно воздействие электрическим током оказывает влияние на интенсификацию различных химических процессов, в частности, окислительных.

Известно, что удельная электропроводность воды зависит от ряда факторов, среди которых наиболее существенны температура, рН, ионный состав и концентрация ионов. [Кульский Л.А. Очистка воды электрокоагуляцией / Л.А. Кульский, П.П. Строкач, В.А. Слипченко и др. - Киев: Буд1вельник, 1978. - 112 с]. Минимальное значение электропроводности при рН = 7. При этом экспериментально доказано, что при рН меньше 6 и рН больше 9 электропроводность жидкой среды такова, что создать электрогидравлический удар требуемой силы практически не представляется возможным.

Таким образом, весь этот спектр явлений воздействует на обрабатываемый материал, создавая оптимальные условия для возможности фазового перехода. Варьируя параметры, режимы и частоту разрядов можно добиться получение конечного продукта с заданными характеристиками, такими как прочность, цвет, чистота, величина.

Примеры осуществления изобретения

Реализацию способа получения аллотропных модификаций углерода можно проиллюстрировать на примере получения алмаза путём прямого фазового перехода из графита. Синтез производится с использованием энергии высоковольтного импульсного разряда в её толще жидкости, характеризующегося скоростными изменениями температуры и давления.

Способ осуществляется следующим образом:

В рабочую камеру помещают полидисперсную систему, представляющую собой взвесь графита в жидкости, водородный показатель (рН) которой находится в диапазоне от 6 до 9, например, взвесь графита в воде. Размеры частиц графита предпочтительно

7 О

выбирать в диапазоне 10 ^" - 10 ^" м.

Оптимальное отношение графита и жидкости составляет 50:50.

Затем на эту взвесь воздействуют, по крайней мере, одним высоковольтным импульсным разрядом. Число импульсов определяется объемом обрабатываемой взвеси, соотношением воды и графита во взвеси, размерами частиц графита и т.д. Во время высоковольтного импульсного воздействия в канале разряда возникает сверхвысокое ударное гидравлическое давление, высокая температура и наличие мгновенного охлаждения, что создает условия для фазового перехода графита в алмаз.

После чего выкристаллизовавшиеся мелкие алмазы отделяют от оставшейся взвеси.

Аналогичным образом могут быть получены такие модификации углерода как, например, лонсдейлит, фуллерены и стеклоуглерод.