초음속 충격파

또 다른 폭발법은 간접적으로 초음속 충격파를 이용해 흑연을 순간적으로 미크론 크기의 다이아몬드로 전환시키는 방식입니다. 이러한 충격파 합성(Shock Synthesis) 방식은 1960년 미국의 화약 제조사 듀폰(DuPont)에 의해 실험에 성공하였고, 1970년대에 양산이 시작되었습니다. 제조 시에는 흑연과 구리 분말(92%, 1mm)을 고르게 혼합한 뒤, 등방성 압축(Cold Isostatic Pressing, CIP) 방식으로 길이 약 5미터의 원통형 막대를 성형합니다. 이 막대는 진공층이 포함된 강철관에 밀봉되며, 폭발 전 여러 개의 강철관을 한 묶음으로 광산 갱도 내에 배치하고, 수 톤의 폭약을 그 주변에 채워 넣습니다.

폭약이 한쪽 끝에서 점화되어 폭발하면 강철관을 한쪽 끝에서 순간적으로 압축하게 되고, 이때 강철관 내부의 흑연은 충격파가 통과하면서 약 20만 기압의 압력과 천도 이상의 온도로 순간적으로 압축됩니다. 압력이 매우 높기 때문에 다이아몬드 핵생성 수가 많아지고, 수 마이크로초 내에 일부 흑연은 약 1~20나노미터 크기의 다이아몬드 미세 결정으로 전환됩니다(수천에서 수백만 개의 원자를 포함). 이들 미세 결정은 결합하여 마이크로미터 크기의 다이아몬드 미분말을 형성하게 됩니다. 이 방법을 통해 한 번에 수 킬로그램의 다이아몬드 미분말을 생산할 수 있습니다. 충격파가 통과한 후 압력은 급격히 떨어지며, 이때 온도가 여전히 높다면 생성된 다이아몬드는 즉시 비정질 탄소 찌꺼기로 전환됩니다. 흑연 내부에 다량의 구리 입자를 열싱크(Heat Sink)로 혼합하여 사용함으로써, 생성된 다이아몬드 미분말을 급속히 냉각시켜 탄화되는 것을 방지할 수 있습니다. 이 다이아몬드 미분말은 일련의 산세 과정을 거쳐 금속을 제거하고, 이후 400℃에서 PbO를 사용해 흑연을 산화시킨 다음, 세척 및 분급을 통해 Mypolex라는 상표명의 제품으로 제조됩니다. 충격파 합성법에서는 원료를 사전에 냉간 등방성 압축 처리하여 치밀하게 만들 필요가 있으며, 기공이 많으면 충격파 압축 후의 압력이 부족하고 온도가 너무 높아 다이아몬드 안정 영역에 도달하지 못하기 때문에 합성이 어려워집니다. Mypolex 다이아몬드는 다량의 결함을 포함한 다결정체로, 동일 입도에서 파쇄된 단결정보다 비표면적이 약 세 배 크기 때문에 더 많은 불순물을 흡착할 가능성이 있습니다. 하지만 외형이 감자 모양이라 단결정 다이아몬드에서 자주 보이는 날카로운 모서리가 없어, 연마 시 기판을 긁지 않으며, 경도 차이가 있는 소재를 번갈아 연마할 때도 미세한 함몰을 유발하지 않습니다. 나아가 다결정 미분말은 점차적으로 파쇄되어 접촉 면적이 줄어드는 자기 예리화(Self-sharpening) 특성을 가지므로, 연마 시 소비 전력은 줄이면서도 높은 연마 속도를 유지할 수 있습니다. 다결정 미분말은 큰 입자의 절삭 효율과 작은 입자의 연마 품질을 동시에 갖추고 있습니다.