Синтез минералов Том 1 - Хаджи В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Выявленная закономерность позволяет объяснить в рамках сделанных допущений некоторые экспериментальные факторы. Согласно диффузионной кинетике, для линейной скорости роста справедливо:
?) IQ_C0) с Рис- '24. График зависимости ха-
у — -, (56) рактерного размера алмазов от
Рб длительности цикла спонтанной кри-
сталлизации
где D — коэффициент диффузии; С—C0—пересыщение; 6 — толщина диффузионного слоя; р — удельная плотность растущего кристалла.
Учитывая высокую вязкость раствора, диффузионный контроль переноса углерода в растворе, незначительный вклад конвекционных потоков при переносе в пленке, есть основания полагать, что при рассмотренном способе кристаллизации алмаза толщина пленки металла по физическому смыслу совпадает с б (53).
Анализируя уравнение (56) с учетом полученных результатов, можно сделать вывод, что плотность исходного углеродного материала (наряду с другими факторами) заметно влияет на кинетику процесса кристаллизации алмаза на стадии стационарного роста.
В частности, использование предложенной модели позволяет получить теоретическую зависимость размера выращенных кристаллов алмаза от длительности процесса кристаллизации. Для этого соотношение (56) перепишем в виде:
dr DAC
osaIT--• {57)
С учетом (53) толщину диффузионного слоя можно представить как
6 = ftr, (58)
где г — характерный размер выращенного кристалла алмаза, k — .коэффициент пропорциональности. Подставляя (58) в (57), получим:
rdr = ~-dt. (59)
357 Решая дифференциальное уравнение (59) в приближении, когда D, АС и k не являются функцией времени, получаем:
T = Ktx2- (60)
Сравнение зависимости (60) с экспериментальными результатами (рис. 124) свидетельствует об их хорошем соответствии и оправданности использования предложенной модели кристаллизации алмаза на этапе стационарного роста. Кроме того, полу--ченное соотношение, связывающее величину характерного размера кристалла и длительность кристаллизации, имеет важное прикладное значение, так как позволяет выбирать оптимальное время выращивания в зависимости от поставленных целей.
\ Изучение растворимости алмаза в расплавах различных металлических систем
В литературе имеется сравнительно немного экспериментальных данных по растворимости алмаза при высоких давлениях, что обусловлено прежде всего сложностью методики таких экспериментов. Наиболее доступной оказалась оценка растворимости алмаза по потере веса кристаллов, помещенных в расплавленный металл, при давлениях, обеспечивающих ведение процесса выше кривой термодинамического равновесия графит—алмаз. Для этого определенное количество предварительно взвешенных синтетических алмазов одного размера и порошок металла помещали в реакционную зону камеры косвенного нагрева (гл. 15), где градиент температуры вдоль образца не превышал IO4 градус/м. После окончания опыта полученные образцы подвергали химической обработке с целью растворения металла и выделения кристаллов алмаза, которые повторно взвешивались на аналитических весах с допустимой погрешностью Ю~7 кг. В результате определяли среднюю потерю веса кристаллов в серии из 5 опытов. Как уже отмечалось, условия эксперимента, во-первых, обеспечивали ведение процесса в области термодинамической стабильности алмаза, с во-вторых, предельная концентрация углерода в расплаве определялась по степени растворимости алмаза. Поэтому при наличии небольшого перепада температуры в реакционном объеме и отсутствии градиента давления в жидкой фазе перекристаллизация графита не происходила. В этом случае потеря веса алмаза соответствовала его растворимости в расплаве. Равновесная концентрация углерода по отношению к алмазу определялась, исходя из кинетических зависимостей изменения концентрации углерода.
Учитывая недостаточную точность описанного метода, обусловленную неконтролируемыми изменениями веса образцов при их загрузке, была поставлена задача по созданию методики определения содержания углерода непосредственно в металле. В этом случае был использован достаточно прецизионный кулонометри-ческий метод, лежащий в основе анализатора АН-29. Принцип действия прибора основан на количественном определении образо-358 вавшейся при сжигании пробы металла двуокиси углерода методом автоматического кулонометрического титрования. Образец полностью сжигается в токе кислорода при температуре 1470— 1620 К, образующаяся при этом газовая смесь после соответствующей фильтрации прокачивается через поглотительную ячейку. Количество электричества, затраченное на титрование двуокиси углерода, пропорционально содержанию углерода в пробе и определяется с помощью автоматического цифрового интегратора. Точность определения концентрации углерода в металле этим методом составляет 0,001 %.
В целях сохранения большой точности в определении содержания углерода и исходя из поставленной задачи была разработана методика подготовки образцов к анализу и проведению экспериментов. Реакционный объем цилиндрической формы высотой 4-Ю-3 м и радиусом 2-Ю"-3 м позволял получать образцы массой около 0,25 • 10~3 кг. Методика анализа на установке АН-29 предусматривает минимальную массу проб — 0,5• IO-3 кг. В этом случае недостаток массы компенсировался балластом с известным содержанием углерода. Источник углерода (кристалл алмаза), окруженный исследуемой шихтой, помещался в центральной части реакционного объема. Исходное процентное соотношение металл— алмаз определялось по разности масс снаряженной и предварительно взвешенной пустой капсулы с учетом массы кристалла алмаза. Все взвешивания выполнялись на аналитических весах с абсолютной погрешностью Ю-7 кг.
