Nanodiamantes per mig de detonació

Nanodiamante de detonació, image TEM

Per mig de detonació es poden formar nanocristales de diamant, a sovint també coneguts com (UDD) de l'anglés ultradispersed diamond. Es tracta de diamants que s'originen a partir d'una detonació. Quan una mescla d'explosius de TNT/RDX en deficiència d'oxigen és detonada en una cambra tancada, es formen partícules de diamant en un diàmetro de aprox. 5 nm en la part davantera de l'ona de detonació al cap de varis microsegons.

• 
  estructura del trinitrotolueno (TNT)
• 
  estructura del hexógeno (RDX)

Història

En 1962 un grup de científics soviètics de el VNIITF dirigits per Yevgeni Zababakhin, incloent K.V. Volkov, Danilenko Vyacheslav, i V.I. Elina varen sintetisar diamants per la compressió per mig d'ones de choc de grafit i suja continguda en càpsules esfèriques i cilíndriques. En 1963 per a aumentar el rendiment en diamant s'usava una mescla de grafit comprimit en metal líquit de refrigerant. En 1962, Danilenko va propondre un canvi en la síntesis. En este cas, el grafit es coloca directament en una càrrega cilíndrica d'una mescla de TNT/RDX, i per a suprimir la grafitisació i reduir la velocitat de degradació diamant, la càrrega està rodejada per una membrana d'aigua. Açò va proporcionar un fort increment en el rendiment en diamants. En juliol de 1963, es va realisar un experiment de control de càrrega sense grafit, que va confirmar la suposició de la síntesis de diamant en els productes de detonació. Basant-se en el diagrama de fases del carbono i els valors de P, T punt de Jouguet per a l'expansió de la detonació dels explosius, es va demostrar que el carbono lliure es devia condensar en forma de diamant. L'explosiu deu tindre un balanç d'oxigen negatiu. La principal ventaja dels productes de condensació de detonació de carbono atòmic en comparació a la síntesis de grafit és que este procés no es necessita gastar temps ni energia en la destrucció o conversió de la ret cristalina original de grafit. El problema en este cas és preservar el diamant ultrafino (UFD) de l'oxidació i la grafitisació. Entre 1963 i 1965, es mostra crític la refrigeració dels productes de detonació per mig de la conversió d'energia potencial en energia cinètica de la membrana que rodeja a la càrrega. La càrrega molejada en forma d'un cilindre allargat, donant a l'eixida UFD 8-12% en pes de la càrrega pel contingut de UFD en la càrrega de fins a 75% (vore balanç oxigen de el TNT). En els EE. UU. la primera menció d'este método no apareix fins a 1988.

Mecanisme físic

Els microcristales de diamant es generen per les reaccions químiques en la part davantera de l'ona de detonació en l'explosió d'alts explosius (una mescla de TNT i RDX). En els gasos formats durant la detonació de certs explosius contenen una cantitat significativa de carbono lliure. Per les altes temperatures i pressions alcançades durant l'explosió, este carbono adopta la fase de diamant. La forma de nanodiamantes és termodinámicamente més estable. Fins a la data, no hi ha cap teoria confirmada sobre la formació dels microdiamentes. D'acort en la termodinàmica de formació, un aspecte bàsic és garantisar la possibilitat d'un diamant en el colapse adiabàtic de carbono explosiu en balanç d'oxigen negatiu, és el fet de que la condensació de carbono lliure en el diamant o la fase líquida. L'expansió adiabàtica dels productes de detonació seguix la detonació. Les condicions per a l'estabilitat del diamant persistix un temps. Si la densitat dels productes de detonació està prop de la densitat inicial de l'explosiu, les condicions d'estabilitat del diamant canvien a les necessàries per a l'estabilitat de grafit. En una expansió adiabàtica la pressió de detonació i temperatura productes cau més ràpit, per lo que l'estat termodinàmic del component de carbono es troba en la regió d'estabilitat de grafit a alta temperatura, lo que contribuïx a la transició de fase de diamant a grafit. Pero a una certa temperatura, la taxa de grafitisació disminuïx, i per lo tant estes etapes de l'expansió dels productes de detonació el carbono que passa de la fase de diamant a grafit, és insignificant - la grafitisació es "congela" i es manté en la fase de diamant. Aixina, la transició de grafit a diamant es produïx quan la temperatura excedix grafitisació congelació. Si T >> T_graf, durant tot el temps els diamant es convertixen en grafit, i len vos productes de detonació gelats no detecten UDD. Aixina, la temperatura és crucial en este procés i esta en gran mida determinada per la configuració de la càrrega (la conductivitat tèrmica del mig). Les condicions òptimes de formació de la UDD en l'ona de detonació i la seua conservació és una pressió alta i una temperatura relativament baixa dels productes de detonació, que corresponen les condicions de Chapman-Jouguet. Per lo tant, els nano-diamants de síntesis de detonació passen 3 etapes:

1. Formació de carbono lliure com a resultat de la detonació.
2. Una ràpida expansió del productes de detonació, partícules de diamant, i el refredat per baix de la temperatura de grafitisació.
3. Ràpida transferència de la calor i massa entre els productes de detonació i el mig que rodeja a la càrrega.