水中爆発に よるダイヤモ ン ドの合成

水中爆発に よるダイヤモ ン ドの合成

生 沼 仙三 書. 松 永 珪裕 ', 中 山 良男 ',鹿 田光 明+, 田中 克 己' 上田豊周相,大森正義+ + .細谷文夫事書

水中に設匠 した円筒容器内での水中爆発によ りダイヤモ ン ド合成を試みた｡ 合成武料には, 爆薬等の混合物

を用いた｡生成 ダイヤモ ･ /ドは酸処理等に より壌尭生成物か ら分推 し,

X線回折によ り確認 した｡ ダイヤモ ' / ド生成丘に関 しては爆古庄に依存す る蛾向を示 した｡

t . は じめに

ソ速 の

ら

年に グラフ丁イ トを衝 撃圧縮する代わ りに各櫛の炭素前駆体を爆掛 こ出入 し て ダイ ヤモ l / ドを合成す る技術 を開発 した｡ この

らの方法は窒素 ガス雰囲気中 もしくは減圧下 のポ ･ /ペ巾で爆薬 と放棄前駆体を爆発 させて ダイヤモ ン ドを合収す る方法で.デ ュポ ン社や

l i ら

)の グラファイ トを衝撃圧縮する方法に比べて少丑の爆薬 で ダイヤモ ン ドを効率良 く合成で きる点が特徴である｡

また.

年には.西 ドイツの

らおよび ソ 連の

ら1 3 )は トl )ニ ト｡ トルエ

とシク p ト1 )ノチ レン ト1 )ニ トラ ミン

の混合機燕.

トl )7 ミノ トl )ニ トF ,ベ ンゼン

とニ トログ アニジンの混合爆薬 より生ずる煤中よ りダイヤモ ン ド をL E J 収 している｡ 7ノ リカの pスアラモス国立研究所 の

ら

)も

年に同様の報告を行な. 'ている｡

このように ダイヤモ ン ドの爆発合成はいろいろ行な われているが,いずれ も空中に設置 した爆発容皆内{･

の合成である｡ しか しダイヤモン ドの回収等の面か ら は大水槽内での爆発合成の方が良いと思える｡そこで.

その試み として.大水旭 を利用 した円筒容器内での水 中爆発合成を検討 した｡

2.

乗験方法

水中爆発容器

1991

年

月

日受理 ' 化学技術研死所

〒305

茨城粍つ くは市東

' ' 細谷火工㈱技術粥尭セ ンター

〒

東京都秋川市菅生大沢

Fig.1 Schematicdiagram OEantndetwaterexpl

Table 1 Experimentd resdts

● Expenmental

num ber 1

2

5 6

b mpsitiOt)

Chrgeveight,g 8.5gHMXI).5gGRA 8gHM

X/

8gRDX/2gDBA /0.5JEPA IO.25gPA /0.5gDIA/0.25gPA /lRBN /0.5EPA

lO lO lO lO lO

M ty.R/CJ

DiDimmeamerlttieonr.8:lZEb 201.92 20I.91

I.86

20 20I.64 210.76 LeJIEt

h, 也 L6.6 L6.6 17.I l9.4 ‑ IS.I

Ⅰmil

iatOrtype Cap6 由p6 Cap6 C叩6 Cap6 Caps

BqoSteTtYPe

KHTCJ

P

o n s:

3261

‑

Reo^yerd dbmmd.g 0.05 0.

18 I.○5 0.35 0 0.03

DhJ^GRA:tIOt^{卵 P}ldyie^hild.g^{te.PA:pardh .DBNB:2.}0.^5‑Di05^{brononitrotw e.DT}0.18^{A:DizLJTLOrtdpowder.AN:}0.55^ANF

0

た｡堆 ダイヤモ. /Fを混入 させた理由は,それが ダイ ヤモ ンド生成に影響を及ぼすか香かを検肘するため{･

ある｡使用 したダイヤモ ン ドは.ヂ z Lポ ' /社製の衝撃 合成 ダイヤモ ン ド ( 平均粒径

‑ Cある｡爆薬 その他は市販の通常のものI Cある｡ これ ら駄科の内, TNT 入 り妖料の場合は,単にその混合物を正墳成形 したものを用いた｡ ア ンホ爆薬入 り就科の場合はそれ を薄いポ l J塩化 どこl Jデ . /シー ト ( 旭化成製.サ ラン ラップ)に包ん{･ 用いた｡他の

Xお よび

爆薬 入 りの場合は.′ミインダーとしてパラ

敵点

‑53℃)

を用い. これを少丑の

. /l et /に溶解 し.そ れに爆薬入 り駄科を加えてよく混合 し.ペ ソゼソを燕 尭除虫 した扱,圧墳成形 して用いた｡

2.3

爆発合成

水中爆発合成では.上に述べた円筒容皆内に水を満 た し,容等の中心軸の底か ら

血の位腔に ダイヤそ . /ド合成用外 科爆薬

t =ットし,円筒容等を 水

t E D に沈めて爆発 させた｡ この場合.その合成 妖科にはあらか じめテ トラニ トt ･Jチルアニリン ( チ トl )ル)べ レ･ /

と

号電気 筋管を浅野 し.それを薄いポ l J塩化 どこ1 )チ. /シー ト

( 旭化成製,サ ランラ. ,プ){･ 包み防水 した｡ この爆 先によ り円筒容器は前後に大 きく振れるが もとの位置 に戻 った時を見計 らってその開 口部を上向きに してす ばや く水中か ら引 き上げた｡

また.この水中爆発合成 との比較のため.従来か ら 行なわれている空中設置の減圧爆発容常内での合成 も 行 な った｡ 使 用 した爆 発 実 験 香 草 は旭 化 成 製 の

型.容量

である｡

2.4

分括,棉製および確認

爆発生成物の回収に際 しては,少丘の硫酸 カ ー )ウム 7ル ミュウムを加えて生成物を叔典.沈殿 させ,ろ紙 を使 って分離 した｡分離回収 したものの中には.防管 体の鋼片や グラフ丁イ ト,その他の不純物が多丘に含 まれているので.大 きな銅片奇の不純物を 7ルイを使 用 して除いてから,王水 ( 体概比で濃塩

,濃硝酸 I )で処理

し,つい{･ 塩葉酸ナ トI Jウムと硝 酸の混合物によると 虹哩

)又は プラズ1 1I )7タター( ヤマ ト魁.

型)勉理 8 )に よ りグラフ Tイ トを酸 化 して除去 7)し.更に電気炉中{･ 辞触 7ルカ 1 )地理

℃)別 を行った後,水洗,ついで酸で中和 し.

再び水洗 し.乾燥 した｡

この ように分離,栴製 したものについての確認は,

線回折

q線)お よび透過型花子朗赦故観察に よった｡

3.

括 果

水中爆発に よるダイヤモ ン ドの合成絵柴を

に示 した｡本車扱では. グラフ丁イ トの酸化除去過程 でダイヤモンドが一緒に侵 されることが予想 される卯｡

したが って, ダイヤモ ン ド収丑は.グラファイ ト除去 過程での消失丑を考慮する必要があるが,その丑を推 定するのは困任である｡ このため.唖 ダイヤモン ドを 使用 している乗敦では, ダイヤモ' /ド収丑は回収 ダイ ヤモ ン ド丑から柾 1イヤモ ー /ド丘を差 し引いた丑 とし た｡回収 ダイヤモ ン ド丑が唖 ダイヤモ ン ド畳を下回っ ている乗験番号 4 の場合には.明らかに唖 ダイヤモ ' / T T が消失 している｡ このような場合に もF' ィヤモ ン ド が生成 しているか もしれないが.ここでは ダイヤモン

ド収量は無い とした｡

Fig.2

は,回収 した ダイヤモ ソ ドの通過型電子国政 良に よる写其の一例 ( 発散番号

の試料)であ り,

は同駄科の反射屯子回折像{･ ある｡ この電子回 折像には ダイヤモ ン ド栴道の結晶面 ( 111)

および

にもとす く回折 t )ソタがみ られる｡

Fig.4

の上の曲線

紘.回収 ダイヤモ ‑ /Fの

線 回折図の一例 ( 実験番号

の試料)であ り,その回折 回に もダイヤモン ド特有の ピーク即ち回折角

度に ピー クが認め られ る｡参考のために ソ遡 製の爆発合成 ダイヤそ l /ドの回折囲( 同国下の曲線

を示 した｡両方の回折回 とも

.

お よび

度に不純 物に よると思われるピー クはあるが.小さい ピー クな ので一応純度は稲いと言える｡

水中爆発によるダイヤモ ン ド合成 との比較のために 行 った減圧爆発容

r

内での合成では

の実戦番号

と同 じ組成および密度の試料

,および

gを用いたが,その

回の実験 ともダイ ヤモ ン ドは得られなか った｡

4.

考 察

ダイヤモ ン ドの合成条件を検討するために.チ 十ツ プマ ンジ1ゲー

J) 点の圧力および温度を

に 示 したが, これは分子間ポテ ンシャルモデルによる改 良型木原 一疋田の状態式 ( KHT) によ り計昇 した もの である｡ ダイヤそ. / ド安定鱗域 とグラファイ ト安定領 域 の境界 を示す平衡線 には下式 の

nedy

の式 lM がある｡

P=1.94◆T/400 (1)

ここに

は圧力

は温度 (℃)である｡ E E l

卓ら

H は

OYらの爆発合成結果を

点におけ

る温度 と圧力の関係で整理 し. この場合 (1)式によ

く一致す るとしている

ら

は

それ よ り高い

および

の領域で合成 している｡表実験の結果

も同様に

点のE E力 と温度の関係で亜理

に示

した｡ この国中.契故番号 4 の 1イヤモ ン ド混入の

L

0.5tJm Fig.2 Tdhmex‑perimentalnumber2(Photoby

c

u

I

J

三

J

)L l

! a S U

t U

O0nU05▲T32

ddD.3Jn

S S

o :Presentresults

Di880nd

〇 〇

･ 〇

〇

〇

Gr叩hite

0 1000 2000 3000 4000 Te叩eratUre.

K

Fig.5 Cakulatedpressurvstemprature(ChapmanJouguet comdition)forsynthesisofdiamondhthetablel.The solidlineintheti糾reiSaphasebolllldaryLotthedial mondgraphiteequilibrium

な ものは本実験の ような小規模の乗敦では理想的爆轟 状態 の

点圧力に達 しないので,上述の ような結果 になったのであろ う｡実験番号

でもダイヤモ ン ドは 得 られていないが これ も同 じような理由のためであろ

ラ, ,

上述の水中爆発でダイヤモ ン ドが生成 した武料か ら は.

vらの ように空中設匿の爆発容草の減圧下 {･ も同様に ダイヤJ e' / ドは得られ るように思えたが, その減圧下の手放 ( 比較実験参照)では全 く得られて いない｡ これについては.それを理 由づけるだけの取 払は得 られてないが水中爆発では ダイヤモン ドを含む ガスが水中で急冷 され ダイヤモl /ドか らグラフ丁イ トへの逆転換が起 こらないのに対 し,減圧下ではそれ が起 こるか らのように思われる

は,空 中で爆発 させた爆薬の爆発生成物を水中に打ち込んで 回収 した喋か らは ダイヤモ ンドを回収で きない と報告 しているが, これは空中{. その道転換が起 こったこと によると考えられている

ダイヤモ ン ド生成の圧 力依存については

の各 々の ダイヤ

. / ド収丑をその合成時の

圧力 で整理 し

に示 した｡ 回申,各○印の上に付けた 数字 は

の突放番号を示す｡ この回に よれ

力が高いほ どダイヤモ l / ド収丑は多

｡中で も唖 ダ イヤモ t / ドい り試料か らのダイヤモ ン ド収丘は多いの で.唖 ダイヤモン ドの効果があるように思える｡ しか し,本葉鼓のJ :うな ダイヤモl /ドの柄製法では一括に 生成す る〆ラファイ トを酸化除去する過程で 〆ィヤモ ン ド も 侵 さ れ る 9 ) ,実 際 に 本 実 験 に お い て

は種 ダイヤそ . /t l自身が蒋丘 している,などのことが あるか らこの結果については更に検討が必要であろ う｡

合成 した ダイヤモン ドが細かい粉末であることは透 過電子部赦親写共でも分か るが,上述の

線回折で得 た回折 パターンか ら下式の

l1 の式

によって粒径 を求めてみた｡

βcosOaKllD+2

申i n e

ここで .D J 土結晶子の大 きさ

,K は定数,)は X 線の波長

, βは歪に基づ く回折線幅.Oは回折角.

野 は歪である｡ この関係か ら

をプpッ トし.

sinOz‑

0へ外挿 した切片の値か ら結晶子の大 きさを求 めた結果.その大 きさは

であ った

や

ちの爆発合成 ダイヤモ ー / ドは平均粒径

‑60

Åであるか ら.これ と同程度の粒径である｡ しか しながら,本突放における水中爆発合成では,ろ征や 遠心分鮭執 こよって容易に回収 し持たことか ら,本水 中爆発合成ではその小 さな括晶が擬興 し合った状態の ものが回収 されているのであろ う｡

5.

ま と め

大水槽内に瞬向 きに設置 した円紡容号内でダイヤモ I

/ド合成を行 った｡使用 した円筒容執 主弁秦されたガ スポ l /べの先端部を切 り落 として製作 した もので.そ の内径は

m, 長 さは

0 t Dであ り.放任水潔は

E E Z d である｡ ダイヤモ ン ド合成試料に は ,爆薬に HMX,

又はア ンホ爆薬を

い, これ らとグラ

フ丁イ ト

‑1 }プpムニ トpべ . /ゼ' /

,

‑ジブ F 'ム

ニ B J. /.又はべ . /. t E' /等を混合 した ものを用い た｡ この水中爆 発 に よる ダイヤモ ･ / ド合成 {･ は,

KagyaJ(ayaku.VoL53.No.1.1992 ‑ 5‑

4

〜

6.tqS!aMP

Ja !

0

4 6 i

‥...^… .^.......…‥…..…0‑‑..9.

0

Pressure.GPa

Fig.6

Di

RDX.またはHMXを用いた試料か らダイヤモ ン ドは 柑らItたが, 7I/ホ噸燕を用いた妖料か らは得られな か った｡ この括巣をCJ点の圧 力で鼓理 した ところ.

ダイヤモ '/ド生成瓜はEE力が高いほ ど多 くなることを 示 した｡ また.この 1イヤモ ン ドが生成 した武村を使 って.空中放匿の液圧爆発香港内で爆発合成をおこな ったが.この場合は ダイヤモ L/ ドは拘られなか った｡

この理由としては.水中爆鬼では ダイヤモ ン ドを含む 煤蒐 ガスが水に より.S･.冷 され るので ダイヤモ y rは グ ラファイ トに逆転換 しないが.減圧下ではそれが起 こ るため と考えた｡ このように して縛 られた ダイヤモン

ドは非常に柵か

い

付 紀

本所射 こおいては.無牧村貿研究所の開蝦利守氏.

当化学技術研究所の藤原捗三.甘木勝故.お よび青田 正典.並びに田中一三氏に ご助言,ご協力をいただい た｡ ここに付紀 して感謝いた します｡

文 献

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Ba

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bySenzoOINUMA書,TakehiroMATSUNAGA*.YoshioNAKAYAMA

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Diamondwassynthesizedbyusinganunderwaterexplosionofexplosiyemixtureof variouskirLdsplacedina

c

l

treatments.ThepowdersWereCOn丘m edtobediamondsbyX‑raydiLEractionpatterns andelectrondiLh ctionpattem.Itwasinddatedthatyieldofthediamonddependedonthe detonationpressure.

(●NationalChemiCalIAboratoryforhdustry,1‑1Higashi,Tsuku

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