Получение алмазов методом взрыва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Получение алмазов методом взрыва

При этом способе получают очень мелкую алмазную пыль для производства заточных камней, абразивов. Применяют или взрыв «обычного» взрывчатого вещества, или взрыв проволоки большим импульсом тока.

Для получения плотной детонационной волны необходима мембрана которая рвется со скоростью звука в том металле из которого изготовлена мембрана ( для железа это - 5000 м/сек.).

«Подогретый» графит, находящийся на так называемой "сковородке" в момент прохождения детонационной волны превращается в кристаллы алмаза.

Этот способ дает выход продукции намного больше в процентном отношении от количества графита, чем способ высокого давления.

Кристаллы получаются бесцветные, чистейшей воды, прозрачные, но очень мелкие (30 - 50 мкрн.). Форма кристаллов тетраэдрическая прочность сопоставима с природными алмазами.

Сущность данного способа получения алмазов, методом взрыва, заключается в том, что при подрыве взрывчатого вещества в замкнутом пространстве, детонационная волна при ударе с препятствием на пограничном слое, ударная волна - препятствие, создает одновременно и высокое давление и высокую температуру. Давление может достигать свыше 300 000 атм, температура десятки тысяч градусов. К сожалению ( или к счастью) все это по времени укладывается в миллионные доли секунды и размеры (толщина) детонационной волны не превышает 10-30 микрон.

В момент разрыва мембраны ударная волна приобретает «плотность» и своего рода такое качество как - гомогенность.

Некоторые кристаллики алмазов получаемые подобным способом могут иметь в диаметре до 50 мк. Большое значение в данном способе имеет положка на которой расположен подогретый графит и толщина рабочего слоя.

Интересны эксперименты по «вторичному» прессованию полученных алмазов тем же способом взрыва, по принципу порошковой металлургии. В данном случае, в алмазном производстве, можно получить кристаллы различного размера и веса из алмазного порошка. В подавляющем большинстве кристаллы мутного цвета. Отмечается хрупкость полученных вторичных кристаллов алмаза. Прочность намного ниже естественных, при обработки возможны «сюрпризы». В данном случае жадность может сгубить идею в самом прямом смысле этого понимания. Толщину графита не рекомендуется превышать 60 микрон.

В последние годы в мировой литературе появляется все больше работ ([1, 2]), в которых обсуждается вопрос о возможном образовании мелкодисперсных алмазных частиц при детонации конденсированых взрывчатых веществ (ВВ) с отрицательным кислородным балансом, т.е. разлагающихся с выделением свободного углерода. Вместе с тем этот процесс получения алмазных частиц при взрыве и их последующем охлаждении в газовой среде был реализован авторами в 1982 г. и доведен к настоящему времени до стадии опытно-промышленного производства и широкого использования получаемого ультрадисперсного алмаза (УДА) для различных технических применений. О создании этого метода сообщалось в [3]. Следует отметить, что в лабораториях страны существуют и другие подходы к задаче сохранения алмаза, возникшего при детонации конденсированных ВВ.

Интерес к этой экспериментальной постановке не случаен. Давления в сотни тысяч атмосфер и температуры в тысячи градусов, характеризующие детонационный процесс, соответствуют области термодинамической устойчивости алмазной фазы на диаграмме давление-температура (Р - Т-диаграмме) для возможных состояний углерода. Поэтому неудивительно, что такие попытки предпринимались еще в конце прошлого века [4].

Следует обратить внимание на одно принципиальное различие статических и динамических методов синтеза алмаза. Обычно исследователи, для анализа возможностей того или другого способа, обращаются к Р - Т-диаграмме фазовых состояний углерода, которая строится и дополняется в основном данными статических экспериментов, начиная с первого ее детального описания [4]. Но при малом времени существования высоких давлений и температур, необходимых для образования алмазной фазы, первостепенное значение приобретает кинетика процессов образования зародышей алмазной фазы и их последующего роста.

Наиболее показательным примером является взрывное разложение тринитротолуола (тротила, ТНТ), который выделяет при этом максимальное количество свободного углерода. Его паспортные данные в плоскости Чепмена-Жуге, где химические реакции в основном закончились: Р ? 18 ГПа, Т = 3,5 · 10³К, что соответствует области устойчивости алмазной фазы. Но получить заметного выхода алмаза при детонации ТНТ не удалось.

Для того чтобы достичь заметного выхода УДА при детонации ВВ, потребовались более мощные составы, что повысило значения давления и температуры. Простейшим из них являются смеси тротила с гексогеном в пропорции, близкой к 1:1 (ТГ 50/50). Именно на смесях такого типа получены основные результаты данной работы.

Эксперименты проводили во взрывных камерах, заполненных инертными газами, - для предотвращения окисления возникших частиц алмаза и отжига их в графит при торможении о стенки. Газодинамика процесса взрыва в камере при ее заполнении различными газами исследована в [5]. Достаточно просто определить и простые экспериментальные соотношения между основными параметрами - массой заряда ВВ, объемом камеры, теплоемкостью массы газа, заполняющего ее, для обеспечения сохранения возникшей алмазной фазы.

После взрыва конденсированный остаток (шихта) собирается и обрабатывается хлорной и минеральными кислотами для очистки и удаления графита (сажи). Полученный алмазный порошок составляет по весу (при соблюдении оптимальных условий) до 80% всей собранной шихты, т.е. в экспериментах удается достичь почти полного перехода свободного углерода в алмаз. получение алмаз взрыв кинетика

Результаты электронно-микроскопических и рентгеновских исследований полученных частиц изложены в [6]. Средний размер частиц синтезированного алмазного порошка составляет около 4 нм (40 Е). Наблюдается образование более крупных конгломератов путем слипания частиц.

Уже в начальной стадии исследований на основе измерения электропроводности за фронтом детонационной волны [7] было предположено, что процесс образования частиц УДА заканчивается за время (0,2-0,5) · 10^-6с, что соответствует по порядку величины продолжительности зоны химической реакции (химпика) в использованных смесях типа тротил-гексоген.

Однозначно этот важный факт был доказан позже, когда исследовали распределение частиц по размерам для зарядов различной массы методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (совместно с В.Ф.Анисичкиным, И.Ю.Мальковым). Полная идентичность распределения частиц по размерам при изменении геометрических параметров заряда на порядок показывает, что процесс образования УДА заканчивается до плоскости Чепмена-Жуге, в зоне химпика.

В этой связи следует осторожно относиться к расчетам возможности образования алмазной фазы, выполненным для плоскости Чепмена-Жуге, так как в зоне химпика величины давлений и температур могут быть значительно выше. Заметим также, что для экспериментально определенных значений времени образования частиц УДА скорость их роста на несколько порядков выше максимальной для статических условий.

В настоящее время получены первые результаты по исследованию кинетики процесса изотопным методом [8]. Они показали возможное влияние структурных факторов в молекуле ТНТ на кинетику образования УДА. В целом же наличие алмазной "метки", связанной с начальным участком детонационного процесса, позволяет по-новому подходить к изучению ряда задач детонационного превращения.

В результате изложенных исследований метод синтеза УДА из конденсированных ВВ доведен до стадии хорошо оптимизированного процесса, в котором выход алмазного порошка составляет до 8-9% исходной массы взрывчатого вещества. Это, в свою очередь, позволяет рассматривать самые разнообразные технические применения такого продукта. Масса заряда ВВ в созданных устройствах может меняться от нескольких десятков грамм до нескольких килограмм.

Данное научно-техническое направление возникло из анализа результатов экспериментов по получению алмазной фазы углерода при динамическом нагружении органических веществ. Зарегистрированный тогда аномально высокий выход алмазной фазы заставил более детально исследовать возможные причины этого факта и в конечном итоге привел к созданию метода синтеза УДА из ВВ. Принципиальная возможность образования алмазной фазы при динамическом нагружении органических веществ была показана и в тех первых экспериментах. Но последующие работы выявили и единую общность процесса образования УДА при высоких термодинамических параметрах, характерных для детонационных и любых других динамических процессов.

Литература

1. Губин С.А., Одинцов В.В., Пепекин В.И. - Химическая физика, 1986, Т.5, N 1, С.111-120.

2. Van Thiel M., Ree F.N. Properties of carbon clusters in TNT detonation products: the graphite diamond transttioa UCRL. - Preprint 95839, Livermore, USA, 1986.

3. Физика горения и взрыва, 1987, Т.23, N 5, С.3.

4. Лейпунский О.И. - Успехи химии, 1939, Т.8, вып.10, С.1519-1533.

5. Ершов АЛ., Куперштох А.Л. - Физика горения и взрыва, 1986, Т.22, N 3, С.118-122.

6. Ставер A.M., Губарева Н.В., Лямкин А.И., Петров Е.А. - Там же, 1984, Т.20, N 5, С.100-104.

7. Ставер A.M., Ершов А.П., Лямкин А.И. - Там же, N 3, С.79-86.

8. Анисичкин В.Ф., Дерендяев Б.Г., Коптюг В.А. - Там же, 1988, Т.24, N 3, С.121-122.

Размещено на Allbest.ru