Zastosowanie wysokiego ciśnienia do otrzymywania materiałów
Otrzymywanie monokryształów diamentu
Diament jest fazą krystaliczną węgla odznaczającą się dużą gęstością i największym obserwowanym objętościowym modułem ściśliwości, równym 435 GPa; wielkości te znacznie przewyższają wartości gęstości i modułu ściśliwości grafitu. Diament jest stabilną termodynamicznie fazą węgla w warunkach wysokiego ciśnienia, natomiast w wysokiej temperaturze i pod niskim ciśnieniem stabilną fazą jest grafit. W niskich temperaturach dominującą rolę odgrywają bariery kinetyczne, dlatego też wyznaczenie granicy równowagi obydwu faz jest obarczone dużym błędem. Ponadto wyznaczenie granicy równowagi pomiędzy diamentem i fazą ciekłą węgla w temperaturze powyżej 4000 K i pod ciśnieniem większym od 15 GPa jest trudne i dlatego krzywe równowagi faza ciekła-diament również są obarczone dużymi błędami. Przykładowy diagram fazowy węgla przedstawiono na rys. 9.
)
Rysunek 9. Diagram fazowy węgla (F.P. Bundy et al., 1961); A – linia równowagi grafit-diament; obszary zakreskowane oznaczają: B – krystalizację diamentów z rozpuszczalnika, C – bezpośrednią przemianę grafitu w diament, D – przemianę w diament za pomocą fal uderzeniowych, E – niskociśnieniowy wzrost warstw, F – spiekanie carbonado
(aby obejrzeć powiększony rysunek, kliknij w miniaturkę)
Metoda otrzymywania monokryształów diamentu polega na ich wzroście z roztworu węgla w metalu ciężkim. Najczęściej jako rozpuszczalniki stosuje się nikiel Ni i kobalt Co. Po raz pierwszy syntetyczny diament otrzymano tą metodą w laboratoriach General Electric w USA w 1955 roku. Do otrzymywania diamentu zastosowano aparaturę wysokociśnieniową typu belt (patrz rys. 2c). Krystalizację prowadzono pod ciśnieniem 5,4 GPa i w temperaturze ok. 1350°C przy utrzymywaniu kontrolowanego gradientu temperatury w komorze roboczej.
W zależności od geometrii komory i warunków wzrostu otrzymuje się różne rozmiary monokryształów diamentu. Są one zazwyczaj koloru żółtego, pochodzącego od domieszki azotu. Zastosowanie dodatku tytanu powodującego wiązanie azotu otwiera możliwość otrzymania monokryształów o bardzo wysokiej jakości. Metoda ta została opracowana w firmie Sumitomo Electric w Japonii. Otrzymane tam kryształy swą jakością strukturalną przewyższają kryształy naturalne.
Do otrzymywania diamentu stosuje się również technikę ciśnień dynamicznych. Wyjściowym materiałem jest mieszanina grafitu i miedzi, która jest zgniatana przez fale uderzeniowe powstające w wyniku eksplozji materiału wybuchowego. Prowadzi to do powstania mieszaniny małych krystalitów diamentu i lonsdalitu (odmiany węgla o strukturze wurcytu). Lonsdalit został wykryty po raz pierwszy w próbkach diamentu syntetycznego, a następnie zidentyfikowany w próbkach meteorytów węglowych.
