Augsts spiediens, augsta temperatūra

Augsta spiediena, augstas temperatūras (HPHT) sintētisko dimantu ražošanas metodē izmanto trīs galvenos preses paraugus, kas var nodrošināt nepieciešamo temperatūru un spiedienu: lentes prese, kubiskā prese un dalītās sfēras prese (BARS).

Tracy Hall GE oriģinālajā izgudrojumā tiek izmantota lentes prese, kurā augšējā un apakšējā lakta piegādā spiedienu, ko ielādē cilindriskās preses iekšējā šūnā. Šis iekšējais spiediens tiek ierobežots radiāli ar iepriekš nospriegotām tērauda joslu lentēm. Laktas kalpo arī kā elektrodi, kas iekšējām, saspiestajām šūnām nodrošina elektrisko strāvu. Cita tipa lentes presē, lai ierobežotu iekšējo spiedienu, izmanto hidraulisko spiedienu, nevis tērauda joslu lentes. Lentes preses mūsdienās joprojām izmanto, tikai tās tiek ražotas daudz lielākā mērogā attiecībā pret oriģinālā dizaina lentes presēm.

Otra veida preses dizains ir kubiskā prese. Kubiskajā presē ir sešas laktas, kas nodrošina vienlaicīgu spiedienu uz visām kuba formas tilpuma plaknēm. Kubiskā prese parasti ir mazāka nekā lentes prese un var ātrāk sasniegt tādu spiedienu un temperatūru, kas nepieciešami, lai izveidotu sintētisko dimantu.

BARS aparāts (dalītās sfēras prese) ir viskompaktākais, efektīvākais un ekonomiskākais no visām dimantu ražošanas presēm. BARS aparāta centrā ir apmēram 2 līdz 3 cm liela cilindriska keramikas "sintēzes kapsula”. Šūna ir ievietota kubā, kas veidots no pirofilīta keramikas, un, kas tiek spiests ar iekšējām laktām, kas savukārt izgatavotas no metālkeramiskā cietsakausējuma. Ārējais astoņskaldņu dobums tiek spiests ar astoņām tērauda ārējām laktām. Pēc uzstādīšanas, viss agregāts tiek ieslēgts diska tipa cilindrā ar diametru apmēram 1 metrs. Cilindrs tiek piepildīts ar eļļu, kas tiek uzturēta paaugstinātā spiedienā līdz tā uzkarst, un tad eļļas spiediens tiek novirzīts uz centrālo šūnu. Sintēzes kapsula tiek sildīta ar koaksiālo grafīta sildītāju un temperatūru mēra ar termoelementu.

Ķīmiskā tvaika nogulsnēšana - CVD

Ķīmiskā tvaika nogulsnēšana ir dimantu „audzēšanas” metode izmantojot ogļūdeņraža gāzu maisījumu. Lai arī masveida augstas kvalitātes dimanta kristālu ražošanai HPHT (augsta spiediena, augstas temperatūras) process ir piemērotāks, tomēr CVD elastīgums un vienkāršība izskaidro šīs metodes popularitāti laboratorijas pētījumos. CVD dimantu „audzēšanas” metodes galvenā priekšrocība ir tā, ka tā dod lielāku iespēju kontrolēt „audzējamā” dimanta īpašības – izmēru un dzidrību: dod iespēju veidot liela izmēra dimantus un kontrolēt ķīmiskos piemaisījumus, ieslēgumus. Atšķirībā no HPHT procesa, CVD procesam nav nepieciešams augsts spiediens, jo dimantu „augšanas” process parasti norisinās spiedienā zem 27 kPa.

CVD dimantu „audzēšanas” metode iekļauj virsmas sagatavošanu, mainīga daudzuma gāzu ievadi kamerā un tās pieslēgšanu spriegumam. Dimanta audzēšanas izmēģinājuma procesu gaitā virsmas sagatavošana ietver: piemērota materiāla un tā kristālogrāfiskās orientācijas izvēli; tā tīrīšanu (ar dimanta pulveri); virsmas temperatūras optimizēšanu (aptuveni 800 ° C). Gāzēs vienmēr ir oglekļa avots, parasti metāns un ūdeņradis ar tipisko attiecību 1:99. Ūdeņradis ir svarīgākais, jo tas izlases veidā izkodina oglekli.

Dimanta augšanas procesā plazma izkodina kamerā esošās vielas un tas var izraisīt kamerā esošo vielu piejaukšanos dimantam, kas tiek „audzēts”. Piemēram, CVD dimanti bieži ir „piesārņoti” ar silīciju no silīcija logiem, kas atrodas dimantu audzēšanas kamerās, vai no silīcija virsmām, kas atrodas dimantu audzēšanas kameru iekšpusē. Tāpēc, kvarca logi vai nu vairāk netiek izmantoti, vai nu tiek pārvietoti iespējami tālāk no dimantu audzēšanas virsmas. Arī bora saturošu vielu atrašanās dimantu audzēšanas kamerā nav pieļaujama pat ļoti nelielā daudzumā, jo tas dzidri tīra dimanta „izaudzēšanu” padara par neiespējamu.

Sprāgstvielu detonācija

Dimanta nanokristāli (5 nm diametrā) var veidoties metāla kamerā detonējot dažas oglekli saturošas sprāgstvielas. Šos nanokristālus sauc par "detonācijas nanodimantiem". Sprādziena laikā spiediens un temperatūra metāla kamerā kļūs pietiekami augsti, lai pārveidotu sprāgstvielās atrodošos oglekli dimantā. Pēc sprādziena metāla kamera tiek ātri iegremdēta aukstā ūdenī un atdzesēta, apturot jaunizveidotā dimanta pārveidošanos vēl stabilākā grafītā. Šīs metodes citā variantā metāla caurule, kas pildīta ar grafīta pulveri tiek ievietota detonācijas kamerā. Sprādziens uzkarsē un saspiež grafītu līdz tādai pakāpei, kas pietiekama, lai to pārvērstu par dimantu.

Nanodimanta pulveri galvenokārt ražo Ķīnā, Krievijā un Baltkrievijā, un, pārsvarā, tas tiek izmantots pulēšanas instrumentu ražošanā.

Ultraskaņas kavitācija

Mikro izmēra dimanta kristāli var tikt sintezēti no grafīta suspensijas organiskajā šķidrumā pie atmosfēras spiediena un istabas temperatūrā, izmantojot ultraskaņas kavitāciju. Dimanta ieguve ir aptuveni 10% no sākotnējā grafīta svara. Aptuvenās izmaksas šādai dimantu ražošanas metodei ir samērā līdzīgas HPHT metodei, tomēr, ultraskaņas sintēzes gadījumā, šāda kristāla dzidrība ir ievērojami sliktāka.