ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТЕЙНЕРА АППАРАТА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C04B35/00 

Изобретение относится к области физики высоких давлений и синтеза сверхтвердых материалов, в частности, к материалам для изготовления контейнеров устройств высокого давления и температуры (АВД). Эти материалы должны быть тепло- и электроизоляторами и обладать стабильными физико-механическими свойствами при высоких давлении и температуре. От теплофизических и механических свойств материала контейнера зависит работоспособность АВД, поэтому улучшению свойств существующих и созданию новых материалов уделяется большое внимание исследователей, работающих в области физики и техники высоких давлений.

Известна шихта для изготовления контейнера АВД (1), содержащая наполнитель из термостойкого упруго-пластического материала, например литографского камня, пирофиллита, талька (50 90%), и в качестве связующего водные растворы хлоридов и нитратов магния и кальция (9 45%), а также термостойкие добавки из ряда тугоплавких окислов, например окись кремния, окись алюминия, окись железа, окись циркония (0,5 40%).

Недостатком этой шихты является то, что тугоплавкие окислы, которые являются высокотвердыми материалами, находятся в виде отдельных частиц внутри более пластичной матрицы, состоящей из наполнителя и связующего. Поэтому их содержание не должно превышать, как установлено опытным путем, 5 7% так как при более высоком содержании тугоплавких окислов резко возрастает количество взрывных разрушений контейнера как при наборе давления, так и в процессе синтеза. Это обусловлено тем, что отдельные частицы являются концентраторами напряжений и вызывают при определенных условиях возникновение трещин, развитие и объединение которых в объеме контейнера приводит к его разрушению. Поэтому повышение диапазона достигаемых давлений, которое пропорционально содержанию высокотвердых окислов, незначительно в результате малого допустимого их содержания. Кроме этого использование в этом решении связок, содержащих воду, в свою очередь приводит к ухудшению качества синтезируемых кристаллов.

Известен состав для контейнера устройства высокого давления, включающий карбонат кальция (84 95%), полимерное связующее (2 12%), и в качестве термостойкой добавки содержащий окись железа (3 14%), (2).

Эта шихта позволяет повысить диапазон достигаемых давлений, однако она обладает рядом недостатков. Низкое допустимое содержание термостойкого окисла не позволяет существенно повысить указанную характеристику по сравнению с материалом, не содержащим этот окисел. Высокое содержание органического связующего приводит к сильному падению давления в процессе синтеза, особенно при выдержках более 10 мин, в результате его выгорания при высокой температуре.

Известна также шихта для изготовления деталей контейнера камеры высокого давления (3), состоящая из упругопластического теплоэлектроизоляционного материала пирофиллита (40 60%), одного из термостойких окислов магния, кальция или алюминия (30 40%), и связующего водного раствора силиката натрия (10 15%).

Недостатком этой шихты является то, что сочетание пирофиллита, который, как известно, имеет высокий коэффициент внутреннего трения, с высоким содержанием термостойких окислов, частицы которых находятся в объеме пластического наполнителя в виде отдельных включений, приводит к тому, что получаемый материал обладает высоким сопротивлением деформированию при высоких давлениях и, следовательно, низкой способностью релаксировать возникающие при этом упругие напряжения, которые концентрируются в области этих включений. Возникающие на концентраторах трещины беспрепятственно распространяются в объеме более пластичного пирофиллита, и, объединяясь, приводят к общему разрушению контейнера. Поэтому при использовании этого материала наблюдается относительно большое количество (более 30%) взрывных разрушений ("разгерметизаций") контейнера в процессе нагружения, что обуславливает низкую производительность процесса синтеза и безвозвратную потерю реакционных материалов. Поэтому использование этого материала ограничивается только изготовлением недеформируемых деталей контейнера АВД, например теплоизолирующих деталей торцевого нагревателя.

Наиболее близким техническим решением является "шихта для изготовления контейнера аппарата высокого давления", содержащая литографский камень и 5 - 15 мас. высокоглиноземистого цемента в качестве связующего (4).

Технической задачей, положенной в основу данного изобретения, является разработка такого состава шихты для изготовления контейнера АВД, который не содержал бы термостойких добавок в виде отдельных включений, приводящих к большому количеству разгерметизаций, что дало бы возможность использовать этот состав шихты для изготовления деформируемых деталей контейнера.

Согласно изобретению поставленная задача решается тем, что шихта для изготовления контейнера АВД, содержащая теплоэлектроизоляционный упруго-пластический материал, термостойкую добавку и связующее, содержит в качестве термостойкой добавки гидратационный вяжущий материал при следующем соотношении компонентов шихты, мас.

Теплоэлектроизоляционный упругопластический материал 65 90
Гидратационный вяжущий материал 4 30
Связующее 1 10
В качестве гидратационного вяжущего материала шихта может содержать известь, гипс, цемент и другие вяжущие материалы.

Использование шихты такого состава для изготовления контейнера позволяет придать ему необходимые упруго-пластические свойства для осуществления синтеза сверхтвердых материалов. Использование гидратационного вяжущего материала в качестве термостойкой добавки позволяет обеспечить необходимую технологическую характеристику процессов синтеза допустимое (до 15%) количество разгерметизаций.

Нами впервые было использовано свойство гидратационных вяжущих материалов твердеть в результате поглощения свободной воды, содержащейся в компонентах шихты. Использование этого свойства позволяет за счет равномерного распределения вяжущего материала в массе наполнителя создать новую структуру материала контейнера. В результате твердения гидратационного вяжущего материала происходит образование тонких твердых прослоек термостойкого твердого материала, которые образуют, в зависимости от содержания вяжущего материала, прерывистый или сплошной каркас вокруг локализованных объемов упруго-пластической матрицы. Так как в заявляемом материале частицы упруго-пластической матрицы окружены прослойками более твердого материала, то надежность удержания давления (от которого зависит количество разгерметизаций) при более высоком, по сравнению с материалом-прототипом, содержании термостойкой добавки не снижается, так как, во-первых, отсутствуют точечные концентраторы напряжений, на которых зарождаются трещины, и, во-вторых, развитию возникших трещин, предшествующих ("разгерметизации" контейнера, препятствует наличие более пластичной матрицы, которая благодаря полученной структуре локализована в виде отдельных объемов, окруженных тонкими прослойками термостойкого материала, внутри которых эти трещины "гаснут".

Такая структура материала позволяет значительно повысить объемную сжимаемость материала, не оказывая существенного влияния на его сопротивление сдвигу. В результате повышается эффективность контейнера по давлению, т.е. при равных усилиях пресса давление в реакционном объеме контейнера, изготовленного из заявляемой шихты, выше, чем в контейнере, содержащем добавки термостойких окислов в виде отдельных включений.

Кроме этого наличие в составе шихты материала, обладающего вяжущими свойствами, позволяет, как впервые нами показано, снизить содержание связующего, что особенно важно при использовании органической связки, так как в результате уменьшается падение давления из-за выгорания связующего при температурах синтеза, что приводит к повышению стабильности давления и температуры в процессе синтеза.

Применение заявляемой шихты позволяет обеспечить высокую технологичность изготовления контейнера и, следовательно, использование ее в промышленных масштабах.

Предельные значения содержания компонент шихты-теплоэлектроизоляционного упруго-пластичного и гидратационного вяжущего материалов и связующего были определены экспериментально.

Изобретение поясняется следующим конкретным примером его осуществления.

Была приготовлена шихты следующего состава: упруго-пластичный материал (порошок литографского камня) 80 мас. (800 г), гидратационный вяжущий материал (порошок портландцемента) 12 мас. (120 г) и связующее (бакелитовый лак марки ЛБС-3 в жидком виде) 8 мас. (80 г). Перед прессованием порошки литографского камня и портландцемента тщательно размешивали и проводили сушку шихты. После прессования контейнера (давление прессование 0,1 0,15 ГПа) и сушки при температуре 150^oC в течение 30 мин проводили его снаряжение реакционной смесью для синтеза. Контейнеры из испытываемой шихты (во всех случаях одинаковой высоты, оптимальной для прототипа 28 мм) снаряжали смесью графита марки ГМЗ-ОСЧ (дисперсностью 200/500 мкм) с металлом растворителем (сплав никель 60 мас. марганца) в соотношении по массе 1 1. Контейнер помещали в АВД и нагружали до требуемого усилия. Использовали стандартное прессовое оборудование пресс Д0043. Аппарат высокого давления представлял собой две твердосплавные блок-матрицы с углублениями на торцах в форме конуса, сопряженного сферой, диаметром 35 мм, и расположенные соосно между опорными плитами пресса. После нагружения через реакционную смесь пропускали электрический ток и поднимали температуру до 1280^oC. В каждом опыте температуру в центре реакционного объема определяли термопарой Пр 30/6 и поддерживали постоянной (1280^oC) с помощью высокоточного регулятора температуры ВРТ-3. После выдержки под нагревом в течение 10 мин ток нагрева отключали, разгружали пресс, извлекали контейнер из АВД и определяли наличие алмазов в реакционной шихте визуально с помощью микроскопа МБС-9. Последовательно изменяя усилие пресса и сохраняя при этом во всех опытах температуру постоянной 1280^oC, определяли то значение усилия, при котором начинается процесс кристаллообразования. Образование кристаллов фиксировалось путем изучения осевых и диаметральных разломов "спека". Критерием начала кристаллообразования являлось образование 10 20 кристаллов в центре реакционного объема (в зоне самых высоких значений температуры) после выдержки в течение 10 мин. Результаты испытания устройства, содержащего контейнер, изготовленный из материала-прототипа, приведены в таблице. Аналогично был проделан ряд опытов с использованием заявляемой шихты, содержащей различные теплоэлектроизоляционный упруго-пластичный и гидратационный вяжущий материал и связующее, при этом изменяли их относительное содержание. Результаты опытов приведены в таблице. По описанной выше технологии было проведено 300 опытов, при этом количество разгерметизаций составило 23 случая.

Такие же серии опытов были проведены с использованием различных соотношений компонентов шихты. Результаты опытов приведены в таблице.

Как видно из результатов экспериментов, поставленная задача решается в пределах заявляемого соотношения компонентов шихты, выход за пределы которого дает отрицательный результат. В пределах заявляемого соотношения компонентов шихты количество "разгерметизаций" не превышает допустимое количество разгерметизаций (15%), а по отношению к прототипу в 2 3,8 раза ниже. Следует также отметить, что наряду с основным техническим эффектом наблюдается также другой технический эффект, а именно, усилие пресса, необходимое для синтеза алмазов, снижается на 17%
Таким образом, как видно из результатов опытов, изложенных в таблице, техническая задача, положенная в основу данного изобретения, решена - разработан такой состав шихты для изготовления контейнера АВД, который не содержит термостойких добавок в виде отдельных включений, приводящих к большому количеству "разгерметизаций", что дает возможность использовать этот состав шихты для изготовления деформируемых деталей контейнера или самого контейнера, как в описанных выше опытах.

Использование заявляемой шихты для синтеза монокристаллов алмаза в промышленных условиях позволяет также уменьшить количество "разгерметизаций" в 2 3,8 раза и уменьшить усилие пресса, необходимое для начала процесса кристаллизации алмазов и тем самым уменьшить износ аппарата высокого давления и прессового оборудования. Кроме того появляется возможность увеличить давление в реакционном объеме АВД не за счет перегрузки АВД, что недопустимо, а за счет использования заявляемого состава шихты. Возможность увеличения давления обеспечивает больший выход алмазов, что является еще одним положительным эффектом.

Изобретение может быть использовано на производствах по получению синтетических алмазов, кубического нитрида бора, поликристаллических и композиционных материалов на их основе, требующих высоких статических давлений и температуры.

Использование: в области физики высоких давлений и синтеза сверхтвердых материалов. Сущность изобретения: шихта для изготовления контейнера аппарата высокого давления содержит следующие компоненты, мас.%: теплоэлектроизоляционный упруго-пластический материал 65 - 90, гидратационный вяжущий материал 4 - 30, органическое связующее 1 - 30. В качестве гидратационного вяжущего материала шихты может содержать известь, гипс, цемент. Такой состав шихты дает возможность снизить количество разгерметизацией контейнера аппарата высокого давления в процессе нагружения. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Шихта для изготовления контейнера аппарата высокого давления, содержащая теплоэлектроизоляционный упругопластический материал и гидратационный вяжущий материал, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит органическое связующее при следующем соотношении компонентов, мас.

Теплоэлектроизоляционный упругопластический материал 65 90
Гидратационный вяжущий материал 4 30
Органическое связующее 1 10
2. Шихта по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве гидратационного вяжущего материала она содержит известь.