Алмазний порошок і спосіб його отримання

1. Алмазний порошок, частинки якого містять вуглець кубічної модифікації, кисень, водень, азот, а також домішки, що не згоряють, який відрізняється тим, що він містить частинки алмазу розміром, що не перевищує 100 мкм, які мають полікристалічну пористу стр уктуру, при цьому розмір пор складає 12-100 А, питома поверхня порошку скла 38541 продуктів детонації із швидкістю 200 – 6000 град/хв. Дослідження авторів цього винаходу показали, що побудова частинок цього матеріалу така: в центрі частинки розташовано алмазне ядро, а навколо нього – рентгеноаморфна фаза вуглецю, яка переходить у кристалічну фазу вуглецю. На поверхні кристалічної фази вуглецю знаходяться поверхневі групи. Отримане співвідношення між фазами вуглецю і певний склад поверхневих груп дозволили використовувати цей матеріал як компонент високоефективних композиційних матеріалів, а точніше, добавки, яка підвищує фізикомеханічні та експлуатаційні характеристики гуми. При введені, наприклад, 1-3% цього матеріалу у високо наповнені гуми їх опір стиранню зростає в 1,2–1,4 рази, а у мало наповнених – в 2-5 разів. Високі показники досягаються також при експлуатації описаної речовини в мастильних оліях, в багатьох композиційних матеріалах. Однак, на наш погляд, функціональні можливості такої речовини невичерпані, їх можна значно поширити, забезпечивши значні експлуатаційні характеристики і в інших областях промисловості, наприклад, для обробки поверхні різних виробів. Для цього потрібно, зокрема, збільшити розміри частинок, зберігаючи при цьому високими показники питомої поверхні та поверхневої хімічної активності, а також виготовляти порошки з певним розміром частинок та пористістю. В основу винаходу поставлено задачу такого удосконалення, поєднаних єдиним винахідницьким задумом, порошку і способу його отримання, при якому за рахунок проведення додаткових технологічних операцій, саме при використанні алмазовуглецевої речовини, отриманої внаслідок детонації вибухової речовини, забезпечується можливість отримати алмазний порошок з розміром частинок, що не перевищує 100 мкм, з питомою поверхнею 50-200 м 2/г та розміром пор 15-100 A, при кількісному співвідношенні елементів, яке заявляється, це приведе до розширення його функціональних можливостей: використання при доводці та поліруванні виробів з матеріалів різної природи, як фільтрів та сорбентів для очищення рідин та газів, як засіб дипольного протирадіолокаційного відбиття та активного поглинання радіочастот, та інше. Для рішення цієї задачі алмазний порошок, частинки якого містять вуглець кубічної модифікації, кисень, водень, азот, а також домішки, що не згоряють, згідно винаходу містить частинки алмазу розміром, що не перевищує 100 мкм, які мають полікристалічну пористу стр уктуру, при цьому розмір пор складає 12-100 А, питома поверхня порошку – 50-200 м 2/г, а кількісне співвідношення елементів вибрано таким (мас. %): вуглець – 89-96, кисень – 1-6, водень – 0,5-1, азот – 0,5-2, домішки, що не згоряють – до 2, а у способі отримання алмазного порошку, який передбачає детонацію вибухової речовини з негативним кисневим балансом у замкненому об'ємі, у середовищі інертному до вуглецю з наступним охолодженням продуктів детонації, згідно винаходу отриману після детонації алмазовуглецеву речовину очи щують хімічним способом, опікають в області стабільності алмазу при дії тиску 4-12 Г Па та температури 10003000°С, після чого отриманий продукт спікання по дрібнюють до розміру, що не перевищує 100 мкм, знову очищують і класифікують, розділяючи на групи за крупністю. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному. Матеріал, згідно винаходу, являє собою порошок темносірого кольору, питома вага якого виміряна методом гідростатичного зважування, складає 2,3-3,0 г/см 3, що дорівнює ~ 65-85% значення питомої ваги алмазу. Рентгенофазовий аналіз матеріалу фіксує єдину фазу – вуглець кубічної модифікації (алмаз). Мікроелектронограми матеріалу відрізняються від одержаних при аналізі вихідного ультрадисперсного алмазного продукту детонаційного синтезу звуженням лінії (111), a також наявністю добре розділених цяткових рефлексів (фіг. 1) додається. Характер електронограм показує, що процес спікання проходить шляхом збиральної рекристалізації. Окремі з них фіксують залишки графіту. Частинки порошку мають округлу форму (фіг. 2, додається), на поверхні яких вирізняються відкриті пори. У відповідності з даними, одержаними шляхом аналізу ізотерм адсорбції азоту (метод БЕТ), розмір відкритих пор складає 12-100 А. Найбільш унікальною характеристикою цього алмазного порошку є його висока питома поверхня, значення якої для різного розміру частинок, виходячи з оцінки даних вимірювання адсорбції азоту методом БЕТ, складають інтервал 50-200 м 2/г. Для порівняння величина питомої поверхні алмазного порошку статичного синтезу марки 1/0 складає 13,5 м 2/г. Високі значення питомої поверхні порошку зумовлені розвинутим рельєфом поверхні частинок, пористістю, а також збереженням активної надструктури, що містить функціональні групи, характерної для вихідного продукту детонаційного синтезу. Елементний склад алмазного порошку у відповідності з даними ОЖЕ-спектроскопії та мікрорентгено-спектрального аналізу складає (мас. %): вуглець – 89-96, кисень – 1-6, водень – 0,5-1, азот – 0,5-2, домішки, що не згоряють – до 2. До складу домішок, крім органічних залишків, входять елементи металів (Ті, Cr, Mn, Fe, Ni, W, К, Са) та неметалів (P, S). Як показав ІК-спектроскопічний аналіз, на поверхні алмазних частинок присутні функціональні групи, основними з яких є карбонільні, карбоксильні та гідроксильні. Частинки порошку, при використанні їх як абразивного матеріалу, в процесі доводки та полірування поверхонь виробів із різних матеріалів мають здатність рівномірно подрібнюватись та поступово покращувати шорсткість та точність поверхні виробу. Розвинута поверхня частинок, наявність внутрішньої поверхні (пор) та її висока активність, яка при вивченні процесу адсорбції азоту досягає, наприклад, для фракції порошку (1-0) мкм значень 450 Дж/г, дозволяє використовува ти запропонований матеріал як фільтр та адсорбент. На фіг.1 (а) і (б) представлено електронограми вихідного ультра-дисперсного алмазу і отриманого внаслідок його спікання полікристалічного порошку, відповідно. 2 38541 На фіг. 2 (а) і (б) показано загальний вигляд алмазного порошку та найбільш характерної окремої його частинки, відповідно. Приклад 1 конкретної реалізації алмазного порошку та способу його отримання. Заряд вибухової речовини, що містив суміш тротилу з гексогеном у співвідношенні 60:40 масою 10-20 кг підривають у вибуховій камері об'ємом 100 м 3. Вибухо ва камера містила три горизонтально і співвісно розташовані, не закріплені один з одним циліндри з однаковим внутрішнім діаметром, з яких центральний нерухомий і оснащений пристроєм для співвісного переміщення вздовж осі камери заряду вибухової речовини, два бокові циліндри встановлено на візках з електроприводом для вільного переміщення вздовж осі камери по рейках. Зовні заздалегідь споряджений заряд за допомогою ручного візка було подано до центральної частини вибухової камери, потім на ньому розташували електродетонатори, включали систему охолодження і подавали в камеру під тиском воду. Через 10-15 с, необхідні для виходу системи охолодження на постійний режим роботи, вибуховий заряд підривався, після підриву о холодження продовжували ще 10-20 с для змиву ши хти зі стінок камери. Завдяки нахиленому розташуванню бокових циліндрів вода з продуктами вибуху стікає у накопичувальний бак, де здійснюється викид вибухови х газів в атмосферу, а вода з отриманим порошком потрапляє на центрифугу, з якої поступово передається у накопичувальну ємність. Аналіз отриманих алмазних порошків показав, що вони являють собою ультрадисперсні вуглецевмісні порошки зі специфічними властивостями – над-малим розміром частинок (~10 нм) з високою активністю поверхні. Ці порошки містять (мас. %): вуглець кубічної модифікації – 60, рентгенаморфну вуглецеву фазу – 12, вуглець кристалічної модифікації – залишок, а також таке кількісне співвідношення елементів (мас. %): кисень – 2,0-7,1, азот – 3,1-4,3, водень – 0,3-1,1, вуглець – 84-89, а також домішки, що не згоряють – 5,0. Його поверхня містить метильні, карбоксильні, хінонні, лактонні, ефірні та альдегідні групи. Потім провели очищення алмазного порошку за допомогою сірчаної, азотної, соляної, хромової кислот та лугу, після чого його опікали в камері високого тиску при температурі 1500°С та тиску 8 Г Па, отриманий матеріал подрібнювали механічним способом до розміру, що не перевищує 100 мкм, повторно очищували хімічним способом з використанням сірчаної, азотної, соляної, хромової кислот та лугу для видалення продуктів забруднення під час синтезу та подрібнення і здійснювали класифікацію за крупністю гідростатичним методом. Проведений аналіз отриманого на кінцевому етапі матеріалу показав, що він являє собою алмазні полікристалічні порошки з розміром частинок,що не перевищує 100 мкм. Дослідження отриманого таким чином порошку фракції (3-1)мкм показали, що середній розмір пор в його частинках складає 50 нм, а його питома поверхня дорівнює 120 м 2/г. Кількісний хімічний склад такого порошку наступний (мас. %): вуглець – 92,8, кисень – 4, водень – 0,7, азот – 1, домішки, що не згоряють – 1,5. Було виготовлено також алмазні полікристалічні порошки при граничних значеннях усіх інтервалів властивостей і складів і за їх межами, а також при тих самих умовах – за прототипом. Дані зведено в таблицю (додається). Виготовлений таким чином алмазний полікристалічний порошок було використано при поліруванні зразків сталі 40Х13 на станку ЗПД-320 методом вільного притирання. Режим обробки: кутова швидкість оберту нижньої ланки – 60 об/хв.; кутова швидкість оберту верхньої ланки – 50 об/хв.; тиск в парі інструмент – деталь – 30 Н/см 2; частота коливання водила – 15 подв. ходів/хв.; час обробки – 6 год. Використовувався смоляний полірувальник, який змочували водою. Дослідження шорсткості поверхні зразків сталі (параметр Rz) проводили за допомогою приладу "Talysurf 5M 120" (Англія). Отримані показники також представлені в таблиці. Як видно з таблиці, середня шорсткість поверхні зразків сталі 40Х13 після обробки заявленим алмазним полікристалічним порошком фракцій (10), (3-1) і (6-3) мкм склала середні значення Rz=0,011–0,020 мкм, що перевищує значення для 14в класу шорсткості поверхні. Крім того, завдяки наявності у матеріалі, що заявляється, пор, розміром 12-100 А та високо розвинутої поверхні частинок, не викликає сумнівів, що його можна використовува ти для інших цілей, наприклад, в якості адсорбенту; у різних способах розділення рідин, газів і т. ін.; як фільтруючий матеріал в техніці та медицині; як матеріал поглинаючий радіочастоти і т д. Як видно з таблиці, заявлений порошок ефективний при поліруванні поверхонь деталей, дозволяє отримати рівномірну дзеркальну поверхню без рисок та ласин. Дослідження, що виходять за рамки даних таблиці, показують, що заявлений порошок забезпечує також стабільну та рівномірну обробку поверхонь виробів із матеріалів різної природи, в тому числі, кремнію, карбіду кремнію, кварцового скла. 3 38541 Питома поверхня, м2/г 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 3-1 50 120 92,8 4 0,7 1 1,5 1500 8 0,014 2 1-0 12 200 89 6 1 2 2 1000 4 0,011 -“ 3 6-3 100 50 96 1 0,5 0,5 2 3000 12 0,030 -“ 4 6-3 110 50 96 1 0,5 0,5 2 1500 3 0,081 5 6-3 10 200 89 6 1 2 2 1500 13 0,050 Обробки немає Нерівномірна обр., ласини 6 1-0 100 40 96 1 0,5 0,5 2 1500 2,5 0,080 -“ 7 1-0 12 210 89 6 1 2 2 1500 14 0,060 -“ 8 3-1 50 120 88 6 1 2 2 3100 10 0,082 -“ 9 6-3 100 50 98 1 0,5 0,5 1 2000 13 0,103 Глибокі риски 10 6-3 100 50 96 0,5 0,8 0,7 2 2000 13 0,093 Ласини 11 1-0 12 200 90 8 0,5 0,5 1 3100 4 0,075 Нерівном. Обробка 12 3-1 50 120 93 4 0,3 0,7 2 3100 6 Оброб. Немає 13 1-0 12 200 89 6 1,3 2 1,7 3100 4 Оброб. Немає 14 6-3 100 50 96 1 0,8 0,2 2 1500 13 0,068 Глибокі риски 15 1-0 12 200 89 6 1 2,2 1,8 3100 4 0,056 Нерівном. Обробка 16 3-1 50 120 92,6 3,5 0,5 1 2,4 3100 6 0,089 17 120 100 50 96 1 0,5 0,5 2 1500 2,5 18 7 300 88 4 1 3 4 Порошок згідно прототипу Кількісне співвідношення елементів (мас. %) Вуглець Кисень Водень Азо т Домі шки 4 Т°С Р, Г Па Примітки Розмір пор в частинках, А 1 Порошок згідно винаходу № пп Фракція порошку, мкм Режими спікання Об’єкт випробувань Параметри алмазного порошку Середня шорсткість зразка сталі 40Х13 обробленої порошком, Rz, мкм Таблиця 14 Рівномірна обробка Глибокі риски Обробки немає -“ 38541 а) б) Фіг. 1 а) 5 38541 б) Фіг. 2 ________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6