Синтез минералов Том 1 - Хаджи В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Изменение направления температурного перепада на обратное (температура зоны растворения меньше, чем зоны роста) достигалось размещением одного слоя металлической шихты в центральной части реакционного объема. Как и следовало ожидать, в условиях пониженного пересыщения (см. рис. 134) скорость нароста на затравки заметно снижается. Так, при величине обратного температурного перепада (в слое металла толщиной 4-Ю-3 м, размере затравки около Ю-3 м и максимальной температуре в центре реакционного объема 1470 К), не превышающего 30 К, скорость роста кристалла (см. рис. 135) имела величину 3-Ю-8 м/с. Кроме того, при этом наблюдается увеличение длительности предварительного растворения затравки, что обусловлено, вероятно, снижением интенсивности потока углерода к ним за счет противоположно направленной (по отношению к концентрационной) термодиффузии, лимитирующей в данном случае процесс переноса углерода. Образование монокристального графита в объеме металлического слоя происходило в основном по его периферии в области повышенных градиентов температуры. Качество наросшего на затравках слоя вполне сопоставимо с качеством исходных затравочных кристаллов, но ухудшается с увеличением его толщины и длительности цикла, что связано со многими факторами и, в частности, с появлением в реакционной зоне монокристаллического графита. Существенным недостатком рассмотренных вариантов - загрузки реакционного объема является низкая воспроизводимость опытов по наращиванию алмаза на затравку. Это обусловлено прежде всего сложным характером теплового поля, в частности, наличием как осевого, так и радиального градиента температуры, а также сравни-384 Рис. 136. Нарост и нитевидные кристаллы алмаза на затравке, располагавшейся на расстоянии 2,5-10-3 м от источника углерода (а), штриховка и следы растворения на нитевидном кристалле алмаза (длина уса 0,3-Ю-3 м, диаметр около 6-Ю"5 м) (б) и всесторонний нарост на затравке, располагавшейся в торцевой зоне реакционного объема (в)
тельно малым объемом зоны роста. Указанные недостатки в большой мере относятся и к камерам косвенного нагрева с вертикально расположенным реакционным объемом, в которых результаты по наращиванию алмаза на затравке не отличались от описанных выше.
Как уже отмечалось (см. гл. 15), преимуществами камеры с горизонтально расположенным реакционным объемом являются практически одномерное в нем тепловое поле и сравнительно большая величина объема зоны растворения. Указанная геометрия реакционного объема камеры позволяет получать перепад температуры между источником углерода, находящимся, например, в тепловом контакте с нагревателем (зона растворения), и холодным торцом реакционного объема (зоны роста) до 200 К при расстоянии между этими зонами около 6-10-3 м. Эксперименты при давлении 4,1 ГПа и температуре нагревателя 1620 К и с использованием металлической шихты Ni—Mn (1:1) и графита в качестве источника углерода показали, что спонтанная кристаллизация алмаза в этих условиях происходит в наиболее холодной части реакционного объема (рис. 136) на расстоянии от источника углерода около 4-10~3 м и при длительности цикла не менее 120 с. В более горячей части реакционного объема и особенно вблизи нагревателя наблюдаются образование и рост монокристаллов графита. Граница между объемом, содержащим спонтанно образованные кристаллы алмаза, и объемом, в котором присутствует только перекристаллизованный графит, достаточно отчетливая. Температура этой границы Т, (рис. 137), очевидно, соответствует равновесной для перекристаллизации графита в алмаз при заданном давлении. Величина Ts в рассматриваемом случае составляла около 1470 К. Таким образом, высокотемпературная зона реакционного объема, удаленная от на-
25 Заказ № 122 385
о
Рис. 137. Схема сечения горизонтального реакционного объема камеры косвенного нагрева:
а — споитаииая кристаллизация; б — рост алмаза иа затравку; в — распределение температуры в реакционном объеме.
/ — нагреватель; 2 — источник углерода; 3 — область интенсивной перекристаллизации графита; 4 — спонтанные кристаллы алмаза; 5 — затравочные кристаллы; ^ — металл-раство-ритель
гревателя не более чем на 4-Ю-3 м, находилась в области термодинамической стабильности графита. Условия в низкотемпературной зоне (расстояние от нагревателя более 4-Ю-3 м) обеспечивали р-7-параметры в области стабильности алмаза. Сравнительно большая величина прямого температурного периода между зонами растворения и роста приводит, как установлено, к интенсивному переносу углерода от источника на расстояние 6-Ю-3 м, где за период времени около 120 с достигаются предельные его концентрации. Очевидно, в этом случае перенос углерода осуществляется в основном по механизму термодиффузии, по крайней мере, на расстояние до (3—4) • 10~3 м от источника углерода, где градиент температуры имеет величину до 5 • IO4 К/м.
При наращивании алмаза рабочий диапазон давлений составлял 3,7—4 ГПа, а затравочные кристаллы размещались в реакционном объеме, заполненном сплавом Ni—Mn (1:1), на различном расстоянии от источника углерода. В результате анализа серии экспериментов отмечены особенности изменения затравочных кристаллов, позволяющие выделить три зоны, которые могут одновременно существовать в реакционном объеме: зону растворения, расположенную в непосредственной близости от нагревателя и источника углерода, промежуточную зону и зону роста алмаза (см. рис. 137). В зоне с температурой около 1570 К и при давлении 3,8—4,0 ГПа происходит интенсивная перекристаллизация графита и растворение алмаза.
