ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЯ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C04B35/00 C04B35/52 H05B3/14 

Изобретение относится к области получения композиционных материалов и может быть использовано для изготовления нагревателей, в частности, используемых при синтезе сверхтвердых материалов для обеспечения электроввода в реакционный объем и теплоизоляции реакционного объема от металлических деталей аппаратов высокого давления (АВД).

Одной из основных проблем при разработке конструкции ячейки высокого давления, обеспечивающей максимальный выход алмазов и других сверхтвердых материалов, является создание равномерного распределения температуры и давления внутри реакционного объема, так как в этом случае во всем объеме получаем термобарические условия, соответствующие переходу исходного продукта в сверхтвердый материал. При наличии градиентов давления и температуры внутри реакционного объема сверхтвердый материал образуется лишь в той его части, в которой значение этих величин соответствует кривой равновесия на P-T диаграмме соответствующего материала.

Так как градиенты температуры возникают в результате отвода тепла через детали, смежные с реакционным объемом (контейнер, нагреватели), то возможный путь снижения градиентов это улучшение его теплоизоляции. Основной отвод тепла происходит через поверхность нагревателей, которые непосредственно контактируют с металлическими деталями блок-матриц, поэтому нагреватель должен обладать низкой теплопроводностью и одновременно высокой электропроводностью, так как через него проходит ток нагрева реакционной смеси. Известно, что теплоизоляторы являются одновременно и электроизоляторами, поэтому для изготовления нагревателей используют смеси соответственно теплоизолирующих и электропроводных материалов. Однако до сих пор при этом не учитывали соотношение размеров частиц компонентов, поэтому известные составы не позволяют получить сочетания теплопроводности на уровне применяемого теплоизолятора, а электропроводности, соответствующей применяемому электропроводному материалу.

Известна шихта для изготовления электронагревателя устройства высокого давления [1] содержащая в качестве изоляционного огнеупорного материала неорганический волокнистый материал, например, базальтовое волокно в виде порошка 35 70 вес. и графит. Недостатком этой шихты является то, что приготовленный из нее нагреватель не обеспечивает эффективной теплоизоляции реакционного объема и при его использовании получаем низкий (не более 20 карат за одно спекание) выход синтетических алмазов при использовании контейнера с диаметром отверстия 30 мм.

Известна также шихта для изготовления нагревателя устройству высокого давления [2] содержащая в вес. графит 14 28, неорганический огнеупорный материал 57 71, жидкое стекло 5 15. Недостатком этого технического решения является также низкий выход синтетических алмазов с одного пресс-спекания из-за больших градиентов температуры внутри реакционного объема в результате недостаточной его теплоизоляции.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является шихта для изготовления нагревателя устройства высокого давления [3] содержащая 70 20 мас. графита, и 30 80 мас. электроизоляционных добавок из группы: тальк, пирофиллит, катлинит, окислы Al, Zr, Cr, нитрид бора или их смесь. Недостатком этого решения является то, что применение теплоэлектроизоляционных материалов с очень низкой теплопроводностью, не обеспечивает защиты блок матриц аппарата высокого давления от перегрева из-за необходимости формировать электропроводящие свойства нагревателя путем введения в его состав электропроводного материала графита, теплопроводность которого имеет высокое значение /40 Вт/м•К)/. При высоком содержании графита (более 30%) теплопроводность нагревателя определяется теплопроводностью графита. При уменьшении содержания графита в смеси происходит уменьшение теплопроводности, однако одновременно возрастает электросопротивление нагревателя, что определяет необходимость увеличения напряжения тока нагревателя для обеспечения необходимой температуры в реакционном объеме, в результате чего температура блок-матриц также возрастает. Таким образом при уменьшении содержания электропроводного материала графита менее 20% не удается получить требуемое значение электропроводности и одновременно обеспечить достаточно низкую теплопроводность материала нагревателя, что с одной стороны приводит к перегреву блок-матриц, а с другой увеличивает градиент температуры в реакционном объеме и в результате снижает выход синтетических алмазов.

Технической задачей, положенной в основу данного изобретения, является разработка состава шихты для изготовления нагревателей АВД с учетом размеров частиц компонентов, который имел бы высокую электропроводность в сочетании с низкой теплопроводностью, что позволило бы значительно повысить выход синтетических алмазов с одного пресс-спекания за счет снижения градиента температуры внутри реакционного объема.

Согласно изобретению поставленная задача решается тем, что в шихте для изготовления нагревателя устройства высокого давления, содержащей электропроводный и теплоэлектроизоляционный материалы, линейные размеры частиц теплоэлектроизоляционного материала не менее чем в 4 раза превышают линейные размеры частиц электропроводного материала при следующем соотношении компонентов шихты (мас.):
Электропроводный материал 10 30
Теплоэлектроизоляционный материал 70 90
Нами впервые было установлено, что использование шихты такого состава и с таким соотношением линейных размеров частиц компонентов позволяет придать материалу нагревателя необходимое сочетание низкой теплопроводности и высокой электропроводности. Этот эффект достигается тем, что при заявляемом соотношении размеров частиц компонентов шихты каждая частица теплоэлектроизоляционного материала окружена тонким слоем электропроводного материала. В этом случае получаемый композиционный материал обладает электрическим сопротивлением электропроводного материала, так как тонкие прослойки образуют непрерывный путь для тока нагрева, а теплопроводность этого материала определяется теплопроводностью теплоэлектроизоляционного материала, так как его содержание более, чем в два раза выше содержания электропроводного материала.

Заявляемое соотношение размеров частиц электропроводного и теплоэлектроизоляционного материала позволяет достичь по сравнению с материалом-прототипом при их одинаковом электросопротивлении, так как возможное содержание теплоэлектроизоляционного материала в этом случае значительно выше. В результате повышения теплоизоляции реакционного объема снижается количество тепла, рассеиваемого на сопрягаемых с нагревателем металлических деталях (блок-матрицах), что приводит к более равномерному прогреву реакционного объема, а, следовательно, и к снижению градиентов температуры внутри объема. При снижении градиентов температуры увеличивается объем зоны стабильности алмаза, а, следовательно, возрастает суммарный выход алмазов. Дополнительным эффектом, достигаемым в результате снижения градиентов температуры внутри реакционного объема является повышение доли высокопрочных марок алмазов в суммарном выходе, так как создаются более "мягкие" условия их роста. Предельные значения содержания компонентов шихты, электропроводного и теплоэлектроизоляционного материалов были определены экспериментально.

Изобретение характеризуется следующим примером его осуществления.

Была приготовлена шихта следующего состава: электропроводный материал (графит марки ГМЗ с размером частиц менее 50 мкм) 20% (200 г) и теплоэлектроизоляционный материал (порошок литографского камня с размером частиц от 315 до 400 мкм, принятое условное обозначение порошка с такой зернистостью 400/315) 80% (800 г), т.е. соотношение размеров частиц теплоэлектроизоляционного и электропроводного материалов было более 6,3. Перед прессованием порошки графита и литографского камня тщательно размешивали в "пьяной бочке", затем добавляли для повышения прочности 20% раствор гидроокиси калия в количестве 10% мас. и подсушивали шихту. После сушки шихты прессовали нагреватели (давление прессования 0,1 0,15 ГПа) в виде дисков диаметром 30 мм и высотой 2 мм. После прессования нагреватели сушили при 120^oC в течение 30 минут. Затем снаряжали реакционной смесью контейнеры, используемые для синтеза алмазов, но вместо серийных нагревателей устанавливали исследуемые нагреватели. Контейнер помещали в АВД и нагружали до требуемого усилия. Использовали стандартное прессовое оборудование пресс Д0043. Аппарат высокого давления представлял собой две стальные блок-матрицы с углублениями на торцах диаметром 55 мм и расположенные соосно между опорными плитами пресса. После нагружения через реакционную смесь пропускали электрический ток и фиксировали его мощность. После выдержки в течение 10 минут контейнер разгружали, раскалывали спек и по внешнему виду полученных алмазов, а также их распределению делали вывод о необходимой корректировке параметров синтеза - давления и мощности тока нагрева. После подборки оптимальных параметров проводили 10 опытов. Полученные спеки отдавали затем на химическую обработку для определения среднего выхода алмазов. Результаты опытов с использованием заявляемой шихты, содержащей различные электропроводный и теплоэлектроизоляционный материалы при изменении их относительного содержания приведены в таблице. Аналогично были проделаны опыты с нагревателем по прототипу. Результаты опытов приведены в таблице. По описанной выше методике было проведено по 100 опытов для каждого состава.

Максимальное значение отношения размеров частиц компонентов определяется техническими возможностями дробления исходных материалов и не влияет на конечный результат, существенным является лишь минимальное значение отношения размеров частиц. В связи с этим следует отметить, что в лабораторной практике и в промышленности при изготовлении нагревателей традиционно используют порошки компонентов с размером частиц менее 1000 мкм.

Как видно из результатов экспериментов, поставленная задача решается в пределах заявляемого содержания компонентов шихты и соотношения размеров частиц компонентов, выход за пределы которых дает отрицательный результат. В пределах заявляемого содержания компонентов шихты и соотношения размеров их частиц выход алмазов с одного пресс-спекания составляет 22 38 карат, что соответственно в 1,1 1,9 раз выше, чем у прототипа, при этом мощность тока нагрева в 1,2 2,1 раз ниже, что снижает температуру блок-матриц и повышает, следовательно, срок их службы. Следует также отметить, что наряду с основным техническим эффектом наблюдается также другой технический эффект, а именно повышается выход высокопрочных марок алмазов в 1,5 2 раза.

Таким образом, как видно из результатов опытов, приведенных в таблице, техническая задача, положенная в основу данного изобретения, решена - разработана такая шихта для изготовления нагревателя устройства высокого давления, которая имеет низкое электросопротивление в сочетании с низкой теплопроводностью, что позволило значительно повысить выход алмазов с одного пресс-спекания.

Использование заявляемой шихты для синтеза алмазов в промышленных условиях позволяет в 1,1 1,9 раза повысить выход алмазов с одного пресс-спекания, а также позволяет снизить ток нагрева и, следовательно, повысить срок службы дорогостоящих деталей аппарата высокого давления - блок-матриц, что наряду с увеличением доли высокопрочных алмазов в одном пресс-спекания составляют дополнительные положительные эффекты, достигаемые при использовании данного изобретения.

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: изобретение относится к области получения композиционных материалов и может быть использовано для изготовления нагревателей устройств высокого давления. Сущность изобретения: шихта для изготовления нагревателя устройства высокого давления содержит электропроводный и теплоэлектроизоляционный материалы, при этом линейные размеры частиц теплоэлектроизоляционного материала не менее, чем в 4 раза превышают линейные размеры частиц электропроводного материала при следующем соотношении компонентов шихты /мас. %/: электропроводный материал 1 - 30, теплоэлектроизоляционный материал 70 - 90. Такой состав шихты даст возможность повысить выход синтезируемого сверхтвердого материала, например синтетических алмазов, с одного пресс-спекания за счет снижения градиента температуры внутри реакционного объема. 1 табл.

Шихта для изготовления нагревателя устройства высокого давления, содержащая электропроводный и теплоэлектроизоляционный материалы, отличающаяся тем, что линейные размеры частиц теплоэлектроизоляционного материала не менее, чем в четыре раза превышает линейные размеры частиц электропроводного материала при следующем соотношении компонентов шихты, мас.

Электропроводный материал 10 30
Теплоэлектроизоляционный материал 70 90ь