научная статья по теме О ВОЗМОЖНОСТИ СИНТЕЗА АЛМАЗА В КАРБОНАТНО-СИЛИКАТНЫХ И ДРУГИХ МИНЕРАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «О ВОЗМОЖНОСТИ СИНТЕЗА АЛМАЗА В КАРБОНАТНО-СИЛИКАТНЫХ И ДРУГИХ МИНЕРАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ»

Статья поступила в редакцию 04.03.14. Ред. per. № 1938 The article has entered in publishing office 04.03.14. Ed. reg. No. 1938

УДК 549.211; 549.212

О ВОЗМОЖНОСТИ СИНТЕЗА АЛМАЗА В КАРБОНАТНО-СИЛИКАТНЫХ И ДРУГИХ МИНЕРАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

с.в. дигонский

197198, Санкт-Петербург, пр. Добролюбова, д. 5/1 e-mail: digonsky@rambler.ru; digonsky@gmail.com

Заключение совета рецензентов 11.03.14 Заключение совета экспертов 18.03.14 Принято к публикации 25.03.14

В устройствах высокого давления синтез алмаза из графита протекает при очень высоких скоростях нагрева и достигаемых температурах, обеспечивающих взаимодействие графита с материалом реакционной камеры (известняк, пирофиллит, тальк), влагой шихты и содержащимися в твердосплавных пуансонах кобальтом и никелем. Поэтому процесс превращения графита в алмаз всегда является каталитическим и происходит с участием промежуточных газообразных соединений, например, карбонилов металлов.

Кристаллизация алмаза из газообразных соединений углерода давно реализована в широком интервале давлений и температур даже при отсутствии затравочного кристалла и подложки. Это означает, что на процесс синтеза алмаза из графита никакого влияния не оказывают сульфид-углеродные, эклогит-карбонат-углеродные, карбонат-перидотитовые и прочие расплавы - синтез алмаза осуществим в любых минеральных системах, включая хвосты различных обогатительных фабрик и разнообразные металлургические шлаки.

Ключевые слова: алмаз, графит, минеральная система, газофазная кристаллизация, устройство высокого давления

ON POSSIBILITY OF SYNTHESIS OF DIAMONDS IN CARBONATE-SILICATE AND

OTHER MINERAL SYSTEMS

S. V. Digonsky

5/1 Dobrolyubova Ave., St. Petersburg, 197198 e-mail: digonsky@mail.ru; digonsky@rambler.ru

Referred 11.03.14 Expertise 18.03.14 Accepted 25.03.14

In devices of high-pressure diamond synthesis graphite occurs at very high rates of heating and reaches temperatures that enable interaction with the graphite reaction chamber material (limestone, pyrophyllite, talc) and the moisture contained in the charge punches carbide with cobalt and nickel. Therefore the process of converting the graphite into a diamond catalyst is always occurs with the intermediate gaseous compounds such as metal carbonyls.

Crystallization of diamond from gaseous carbon compounds have long realized in a wide range of pressures and temperatures, even in the absence of the seed crystal and the substrate. This means that the synthesis of diamond from graphite have no influence carbon sulfide, carbonate eclogite-carbon, carbonate melts and other peridotite - diamond synthesis is feasible in any mineral systems, including the tails of different concentrators and a variety of metallurgical slag.

Keywords: diamond, graphite, mineral system, gas-phase crystallization, a high-pressure device

О возможности алмазообразования в различных минеральных системах и вообще о влиянии на этот процесс минеральных сред рассуждают, как правило, одни лишь только геологи-минералоги [1-8], в то время как технические специалисты предпочитают изучать физико-химические параметры синтеза алмаза - твердофазного из графита [9-10], либо газофазного из метана [11-12]. Подобные публикации исчисляются уже сотнями, и подробные ссылки на них можно найти, например, в работах [13-14].

Это вполне естественно, так как при ближайшем рассмотрении оказывается, что практически все работы, посвященные синтезу алмаза при сверхвысоких давлениях и высоких температурах в сульфид-углеродных, эклогит-карбонат-углеродных, карбонатно-перидотитовых и прочих расплавах являются, по существу, бездоказательными и никакие параметры процесса не описывают.

Для детального обоснования сказанного обратимся прежде всего к работам F.P. Bundy [15] и [21], которые, хотя и не являются основными в области синтеза алмаза в условиях гидравлического сжатия и электрического нагрева исходных углеродсодержащих веществ, однако, содержат

0 достаточно подробное описание процесса образования алмаза в этих условиях.

f Существо способа получения алмаза «при полном отсутствии катализаторов» по патенту [15], по мнению F.P. Bundy, заключается в превращении при

1 высоких статических давлениях и высоких

^ температурах: 1) углеродистого материала в

кубический алмаз в отсутствие катализатора по реакции «твердый графит - твердый кубический алмаз»; 2) углеродистого материала в кубический алмаз в отсутствие катализатора, при котором вновь образовавшийся и проводящий электрический ток кубический алмаз расплавляется и

перекристаллизовывается; 3) определенного, хорошо кристаллизованного кристаллоориентированного графитового материала в гексагональный алмаз в отсутствие катализатора по реакции «твердый графит - твердый гексагональный алмаз». Патент F.P. Bundy [15] настолько показателен, что заслуживает весьма детального цитирования.

1. Исходным для синтеза материалом служил образец высокоотожженого пиролитического графита толщиной 0,23 мм, шириной 1,22 мм и длиной 6,0 мм, помещенный в пирофиллитовый контейнер.

2. В экспериментах использовался пресс усилием в 600 тонн с устройством высокого давления типа «belt», где исходный образец графита подвергался давлению 130-140 кбар в направлении с-осей.

3. Для синтеза алмаза в устройстве «belt» применялся как импульсный нагрев графита электрическим разрядом до температуры 2500 оС и выше, так и статический нагрев установившимся переменным током (15 В; 9,5 А) до температуры 1500 оС.

Здесь следует задать неожиданный вопрос: а так ли уж сильно отличается в патенте [15] скорость подъема температуры графита при импульсном нагреве этого вещества электрическим разрядом и статическом его нагреве установившимся переменным током?

Легко заметить, что электрическая мощность 142,5 Вт для нагрева образца графита с размерами 0,23, 1,22 и 6,0 мм при преобразовании ее в удельную электрическую мощность дает весьма внушительное значение, равное 84640 Вт/см3. Если учесть, что согласно расчетам, проведенным в работах [13, 14], значение удельной электрической мощности 3750 Вт/см3 обеспечивает скорость нагрева графита 1088 °С/с, то в патенте [15] значение удельной электрической мощности 84640 Вт/см3 должно обеспечить скорость нагрева графита никак не менее 25000 оС/с. Из этого следует, что при синтезе алмаза и в условиях электрического заряда, и при статическом нагреве установившимся переменным током, нагрев исходного для синтеза вещества всегда является импульсным.

И не случайно, на наш взгляд, автор патента [15] неоднократно подчеркивает, что требуемое для синтеза алмаза давление может быть достигнуто медленно или быстро без влияния на конечный результат, и не говорит то же самое о требуемой температуре. При этом Б.Р. Вип1у не находит принципиальных различий между этими двумя видами нагрева (кроме возможности предохранения реакционной камеры от разрушения за счет кратковременности нагрева электрическим

разрядом) и во всяком случае не считает, что в результате прохождения электрического разряда через вещество в последнем возникают сверхвысокие давления.

4. «Одним из наиболее интересных аспектов, -говорится в описании патента [15], - является установление того факта, что кубический алмаз является только одной из форм углерода, какие могут образоваться в условиях давлений и температур, соответствующих алмазоустойчивой области фазовой диаграммы состояния углерода. Так, обнаружено, что при рекристаллизации из расплавленного состояния в алмазоустойчивой области вместе с кубическим алмазом получается и гексагональный алмаз, в среднем с более крупными кристаллами, чем кристаллы гексагонального алмаза, образующиеся в природных условиях в метеоритах при их соударении с Землей, при котором достигаются необходимые температуры и давления. Кроме того, всегда оказывается синтезированным графит».

Считая, что графит подвергается плавлению и последующей кристаллизации, Б.Р. Випс1у замечает: «До плавления испытуемый образец графитового стержня или бруска кажется грубым, неровным, имеющим беспорядочную зернистую структуру. После плавления и охлаждения испытуемый образец той же формы стержня или бруска имеет дендритную структуру в виде игл, расположенных

радиально и распространяющихся от центра к холодным периферийным областям. Надо добавить, что картина дифракции рентгеновских лучей у образца обычного графита совпадает с таковой у образца рекристаллизованного плавленного графита при съемке последнего совместно с образцом графита, не подвергавшимся плавлению. Однако дифракционные линии плавленных образцов очень резко показывают, что рекристаллизованный графит имеет более развитую и правильную ориентацию кристаллов, чем немодифицированный или неплавленный образец» [15].

Объект, который Б.Р. ВиМу называет плавленным графитом, судя по описанию, несомненно, представляет пиролитический графит. Ранее мы уже отмечали [14], что именно пирографиты, как и другие вещества, образующиеся в результате кристаллизации из газовой фазы в замкнутом реакционном объеме, имеют дендритную структуру в виде игл, расположенных радиально и распространяющихся от центра к холодным периферийным областям, а при осаждении в виде слоев характеризуются преимущественной ориентацией кристаллов. Подчеркнем также, что согласно патенту [15] графит обязательно синтезируется во всех экспериментах.

Здесь следует отметить, что еще в работе Л.Ф. Верещагина с соавторами [16], в которой исследовалось образование углерода в системе СаС03-8Ю2 при высоких давлениях и температурах, сказано: «Сжатие камеры производили в матрицах из твердого сплава ВК-6 при помощи гидравлического пресса. В качестве исходных материалов брали кальцит и оливин. Была проведена серия опытов при давлении 50 кбар и температуре порядка 2000-2100 °С... При этих условиях было обнаружено образование темной непрозрачной фазы в виде мелких включений, рентгенографическое

исследование которой показало, что эта фаза является графитом».

Но графит в условиях, описанных в работе [16], вообще мог образоваться только из газовой фазы путем пиролиза углеводородов, так почему же не допус

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком