Спосіб одержання штучних алмазів з вуглецевої суміші

Реферат: Спосіб одержання штучних алмазів з вуглецевої суміші включає пропускання вуглецевої суміші через камеру гідродинамічної кавітації. З вуглецевої суміші під впливом гідродинамічної кавітації та ультразвукового випромінювання утворюють кавітаційну плазму, а формування штучних алмазів з кавітаційної плазми здійснюють в середовищі електромагнітного поля. UA 109728 U (12) UA 109728 U UA 109728 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до хімічних технологій, зокрема до способів одержання штучних надтвердих матеріалів на основі вуглецю, тобто штучних синтетичних алмазів, і може бути використана для їх промислового виробництва. Відомий спосіб одержання алмазоподібної модифікації вуглецю-октакарбону Cg при конденсації потоків вуглецевої плазми у вакуумі на охолоджуваній підкладці монокристала КС1 [1]. Швидкість осадження алмазоподібного конденсату становить 5-10 А/с. Недоліком даного способу є те, що синтез вуглецю Cg вимагає створення складних технологічних умов, при цьому спостерігається висока дисперсність аморфної фази і досить великі розміри монокристалів октакарбону (від 100 до 3000 А). Відомий спосіб одержання штучного надтвердого матеріалу із графіту у вакуумі з використанням електричного поля для катодного розпилення графіту при низькому тиску інертного газу і низькій температурі з осадженням нейтральних джерел розпилення [2]. Недоліком наведеного способу є складність застосованої технології, пов'язаної з використанням складної і дорогої техніки, а також низька його продуктивність. Відомий спосіб одержання алмазів у процесі гідродинамічної кавітації бензолу. Деструкцію бензолу здійснюють за допомогою гідродинамічного кавітатора, у якому створюють необхідне розрідження в інтенсивному струмені рідини за допомогою робочих газів, що виділяються при пороховому згорянні [3]. Недоліками наведеного способу є складність у виборі кавітаційного середовища, висока енергонавантаженість пристрою, який використовують для реалізації цього способу, а також застосування в технології вибухових речовин. Відомий спосіб одержання алмазів у процесі акустичної кавітації у суспензії гексагонального графітового порошку (50-200 мкм) у ряді органічних сполук (суміші пари та мета ізомерів оліго феноксибензолу) [4]. Кавітаційний вплив на суспензію проводять протягом 1-12 хв. у реакторі при температурі рідини 80-100 °C і максимальній інтенсивності ультразвуку в центрі реактора 2 75-80 Вт/див , потужності 1000 Вт та частоті 22 кГц. Вихід алмазів становить до 10 % від маси графіту. Недоліком наведеного технічного рішення є одержання алмазів із графітового порошку мікророзмірів (від 6 до 9 мкм) із застосуванням агресивних технологічних середовищ. Найбільш близьким способом, який застосовують за тим же призначенням, що і заявлений, є спосіб одержання штучного надтвердого матеріалу на основі вуглецю, що включає дію високого тиску і температури на вуглецеву суміш [5]. Відповідно до наведеного способу, дію на вуглецеву суміш здійснюють шляхом її прокачування через генератор кавітації, при цьому регулювання швидкості процесу здійснюють перериванням потоку маси з рідиною і зміною її швидкості або конфігурації руху рідини. При проходженні рідини через генератор кавітації утворюються порожнини кавітацій, які потім, потрапляючи в зону високого тиску, стискуються і розриваються. Це явище супроводжується виникненням високих перепадів тиску (декілька десятків кілоньютонів) і температур (більше 1500 °C), тобто створенням умов для перетворення вуглецевмісної маси в надтвердий матеріал. Водографітова суміш, потрапляючи в зону схлопування кавітаційних каверн (порожнин), піддається впливу високого тиску і значної температури, а також процесів переривання потоку маси з рідиною та/або зміною його швидкості або конфігурації, завдяки чому частина графіту перетворюється в надтвердий матеріал. По завершенню приблизно 20 циклів прокачування водографітової суміші через кавітаційний реактор, дістають з накопичувальної місткості матеріал, який потім обробляють кислотами, в результаті отримують безліч безбарвних зерен алмазів діаметром порядку 10 мкм. Зазначений спосіб вибраний як прототип. До недоліків зазначеного способу належить складність його реалізації, низька продуктивність зростання алмазів, дорожнеча, що пов'язана з необхідністю використання спеціальних матеріалів та реагентів. Застосування кислот для обробки обложного матеріалу підвищує небезпеку для обслуговуючого персоналу, а також унеможливлює одержання за допомогою такого пристрою надтвердих матеріалів значного розміру. До причин, що перешкоджають досягненню очікуваного технічного результату при використанні відомого способу, належить те, що він має низькі технологічні можливості, незначну швидкість зростання алмазів та неможливість одержати алмази значних розмірів, а також застосування кислот для обробки обложного матеріалу, що підвищує небезпеку для обслуговуючого персоналу. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення існуючого способу шляхом розробки кавітаційно-плазменного та екологічно чистого процесу, який забезпечить утворення гідродинамічного і ультразвукового кавітаційного середовища, що перетворює потік суміші вуглецю в плазменне середовище за участю електромагнітного поля, у якому проходять хімічні 1 UA 109728 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 реакції на нано- та атомному рівнях, перетворюючи суміш вуглецю в штучні алмази, при цьому зазначений спосіб є більш безпечним, ніж наведені аналоги. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб одержання штучних алмазів з вуглецевої суміші включає пропускання вуглецевої суміші через камеру гідродинамічної кавітації, а з вуглецевої суміші під впливом гідродинамічної кавітації та ультразвукового випромінювання утворюють кавітаційну плазму, при цьому формування штучних алмазів з кавітаційної плазми здійснюють в середовищі електромагнітного поля. Відомі дослідження свідчать про кавітаційний синтез природних алмазів при швидкому підйомі кімберлітового розплаву по тріщинах змінного розтину із глибини землі на її поверхню. Зроблені оцінки термодинамічних параметрів цього процесу свідчать про принципову можливість синтезу алмазної речовини тільки у випадку симетричного (адіабатичного) колапсу кавітаційних пухирців. Результати робіт дозволяють розглядати процес адіабатичного розривання кавітуючих пухирців як нову технологію механо-хімічного синтезу органічних і неорганічних речовин у тому числі і синтезу алмазів. При різкому перепаді тисків у потоці розплавленої породи, при зміні профілю або звуженні каналу, у рідині, що рухається, утворюються не тільки області зниженого тиску, але і розриви, порожнечі, міхури ("кавітас" - полатинському "порожнина"), які розриваються, коли рідина виходить зі звуження, при цьому тиск вирівнюється. Чим більше текуча рідина, тим з більшою швидкістю вона рухається, тим більше ймовірність, що в ній утворюються пухирці кавітації. Особливо схильні до кавітації рідини, що містять газ і тверді частки, які служать "ядрами" кавітації. У кімберлітових порід є дві особливості. По-перше, вони виділяються серед інших магматичних порід своєю унікальною алмазоносністю. По-друге, у кімберлітовій магмі часто утворюються кавітаційні пухирці. При розриванні пухирців газ, що перебуває в них, випробовує удар, при різкому стиску розвиваються величезні пікові тиски порядку тисячі кілобар. Цього досить, щоб утворилися дрібні кристалики надтвердого матеріалу (алмазів), але за умови, якщо в пухирці був газоподібний вуглець. Кавітаційні пухирці кімберлітової магми насичені метаном, молекули цього газу розпадаються на вуглець і водень при високій температурі, що виникає у пухирцях через сильний стиск. При розриванні пухирців газоподібний вуглець кристалізується в алмаз, а водень виноситься за межі пухирця. Процеси рекристалізації, які відбуваються в стверділій магмі, приводять до об'єднання дрібних кристаликів і утворення алмазів значного розміру. Доведено, що для утворення надтвердих матеріалів (алмазів) використовують суміш водо-графітної суміші вуглецю з газом метаном, у співвідношенні: 10 частин води, 2-4 частини газу метану і 1 частина графіту. Саме поєднання наведених відомих ознак і сукупність суттєвих ознак способу, що заявляються, забезпечує перетворення суміші вуглецю в алмаз. Спосіб, що заявляється, може бути реалізований наступним чином. Спосіб забезпечує утворення гідродинамічного і ультразвукового кавітаційного середовища, що перетворює потік суміші вуглецю в плазменне середовище за участю електромагнітного поля, у якому проходять хімічні реакції на нано- та атомному рівнях, перетворюючи суміш вуглецю в штучні алмази. Ці явища супроводжуються виникненням високих перепадів тисків (кілька десятків, сотень кілоньютонів) і температур (понад 5000 °C), тобто утворюються умови для перетворення вуглецевмісної суміші в алмаз. Кавітаційно-плазменне середовище в камері синтезу є своєрідним "трансформатором потужності, у якому повільно сумарна енергія, що накопичується, гідродинамічних і ультразвукових акустичних коливань діє в проміжку дуже короткого часу приблизно (2-3нс). В результаті миттєва потужність у сотні, тисячі разів, що перевищує середню, що вводиться в кавітаційне середовище, перетворює суміш вуглецю в кавітаційну плазму. Одержання штучних алмазів вирішується шляхом переміщення суміші вуглецю з накопичувальної ємкості в прийомну камеру далі в камеру нагнітання пристрою. З камери нагнітання під дією великих кутових швидкостей і тисків, які створює обертова крильчатка, суміш вуглецю через прийомні вікна, що розширюються, конусної тарілки пристрою з великою кутовою швидкістю проходить по мідним спіральним гелікоїдальним трубам. Потік суміші в трубах прискорюється, так як опір потоку між стінками труб практично відсутній. Спіральні гелікоїдальні мідні труби мають спеціальний профіль, що дає можливість завдяки міді і спіральному руху закручувати потік вуглецевої суміші, який починає працювати як насос, виштовхуючи із себе суміш вуглецю на зразок електромагнітної гармати. Вихровий закручений потік суміші вуглецю з великою швидкістю попадає в блок форсунок, в якому установлені сопла у вигляді сопел Ловаля. При проходженні суміші вуглецю через сопла Ловаля за рахунок різниці тисків на вході і виході виникає потужна гідродинамічна кавітація. Суміш вуглецю перетворюється у кипляче середовище, маючи мільйони мікронанопухирців. Кути установки сопел Ловаля у блоці форсунок пристрою вибрані таким чином, що всі вихідні закручені 2 UA 109728 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 кавітаційні струмені суміші вуглецю зводяться в камері синтезу в одну точку (у точку затравочного каменю цангового утримувача). Хімічні процеси, що протікають у камері синтезу, можуть проходити і без затравочного каменю. В результаті всі закручені кавітаційні потоки суміші вуглецю в камері синтезу фокусуються, підсилюються, множаться, трансформуються в один потужний потік гідродинамічної кавітації, де проходять хімічні реакції на нанорівнях, ідуть перетворення суміші вуглецю в штучний алмаз. У камері синтезу, для посилення процесів хімічних реакцій по периметру, рівномірно в одній площині встановлені ультразвукові випромінювачі. При роботі ультразвукових випромінювачів паро-газова суміш вуглецю перетворюється на ультразвукове плазменне середовище, яке ще сильніше посилює процеси хімічних і ядерних перетворень на нанорівнях, перетворюючи паро-газову плазмову суміш вуглецю в синтетичний надтвердий матеріал. Явище ультразвукового плазменного середовища являє собою ефективний засіб концентрації енергії звукових хвиль низької щільності у високу щільність, пов'язану з пульсаціями і розриванням кавітаційних пухирців. У момент розривання кавітаційних пухирців в плазменному середовищі тиск і температура газу усередині досягають значних величин (до 100 МПа і 5000-25000°К). Після розривання пухирця в навколишній рідині поширюються сферичні ударні хвилі, в результаті чого ці екстремальні умови утворюють незвичайне фізичне і хімічне середовище в суміші вуглецю, для здійснення ряду хімічних реакцій на нанорівнях, у тому числі поліморфного перетворення суміші вуглецю в штучний алмаз. При розриванні пухирців газоподібний вуглець кристалізується в алмаз, а водень виноситься за межі пухирця. Крім цього в камері синтезу за ультразвуковими випромінювачами установлений цанговий утримувач для кріплення затравочних - алмазних каменів, далі кільцевий сердечник з електромагнітною котушкою, що створює сильне електричне поле, змушуючи плазменне середовище суміші вуглецю концентруватися в одній точці (точці затравочного каменю), не даючи їй розсіюватись. Всі ці конструктивні елементи об'єднують та посилюють хімічні і ядерні реакції, що протікають у камері синтезу, в результаті проходять процеси перетворення суміші вуглецю в штучний алмаз. Корисна модель, що заявляється, була реалізована на моделі, на якій було підтверджено ріст штучних синтетичних надтвердих матеріалів при протіканні хімічних і ядерних реакцій в плазмовому середовищі в паро-газову вуглецеву суміш. Перетворення вуглецевої суміші в алмаз приводилодо конверсії графіту в алмаз приблизно 2 % від маси графіту. Джерела інформації: 1. Патент США № 3901669, опуб. 26.08.75. 2. Авторське свідоцтво CPCPN 411037, кл. С01В 31/06, 1971. 3. Галимов Э.М., Кудин A.M., Скоробогатский В.Н. і ін. Експериментальне підтвердження синтезу алмаза в процесі кавітації // Доповіді Академії наук. - 2004. - Т. 395, № 2. - С. 187-191. 4. Khachatryan A.Kh., Aloyan S.G., May P.W.Graphite-to-diamond transformation inducedby ultrasound cavitation // Diamond Relat. Mater., 2008. - Vol. 17. - Р. 931-936) 5. Патент Російської Федерації № 2123972, опуб. 27.12.1998. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб одержання штучних алмазів з вуглецевої суміші, що включає пропускання вуглецевої суміші через камеру гідродинамічної кавітації, який відрізняється тим, що з вуглецевої суміші під впливом гідродинамічної кавітації та ультразвукового випромінювання утворюють кавітаційну плазму, а формування штучних алмазів з кавітаційної плазми здійснюють в середовищі електромагнітного поля. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3