СПОСОБ СИНТЕЗА УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ АЛМАЗОВ Российский патент 2010 года по МПК B01J3/08 C01B31/06 F42D5/04 

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к синтезу технических ультрадисперсных алмазов, а также утилизации боеприпасов.

Известен способ получения ультрадисперсных алмазов (УДА), связанный с подрывом во взрывной камере заряда углеродосодержащего ВВ с отрицательным кислородным балансом, окруженного охлаждающей жидкостью (Выскубенко Б.А. и др. «Влияние масштабных факторов на размеры и выход алмазов при детонационном синтезе. Физика горения и взрыва», 1992, 2, с.108). Недостатками этого способа являются наличие ограничения на массу используемых зарядов, а также относительная сложность и высокая стоимость применяемого оборудования.

Известен также способ синтеза УДА с возможностью одновременной утилизации боеприпасов (Патент РФ № 2087844 от 20.08.97 «Способ утилизации боеприпасов»), в котором предлагается осуществлять подрыв зарядов в специальном заполненном жидкостью бассейне, акустическая жесткость стенок которого заведомо превосходит акустическую жесткость жидкости. Это приводит к ударно-волновому воздействию на газовый пузырь отраженной от стенок бассейна ударной волны, которое сопровождается охлаждением продуктов детонации вбрасываемой внутрь пузыря жидкостью, а в силу асимметричности воздействия, возможно и дроблением пузыря.

Недостатком такого способа является необходимость значительных затрат на строительство специального бассейна с прочными стенками, способными длительное время противостоять воздействию ударных нагрузок.

Задачей настоящего изобретения является повышение производительности участка по производству алмазосодержащей шихты (АШ) - полупродукта, содержащего УДА наряду с другими твердыми продуктами детонации, и снижение затрат на строительство этого участка вплоть до возможности использования уже существующих естественных водоемов.

Поставленная задача решается тем, что осуществляют подрыв не менее чем двух разнесенных в пространстве зарядов, по крайней мере один из которых изготовлен из углеродосодержащего ВВ с отрицательным кислородным балансом. Известно, что в таком заряде в момент подрыва в ходе сложных физико-химических процессов на фронте детонации и за ним происходит образование УДА, которые в итоге оказываются в составе продуктов детонации. В дальнейшем, ввиду резкого падения давления за фронтом детонации, но при сохранении высокой температуры продуктов детонации возможна графитизация значительной доли образовавшихся алмазов. Для воспрепятствования этому на данной стадии процесса целесообразна организация активного охлаждения продуктов детонации, что проблематично в свете малости характерных времен и высоких энергий, присущих происходящим явлениям. Однако эту роль способна выполнять приходящая извне ударная волна. Встречаясь с границей радела фаз жидкость-продукты детонации, она отражается от нее, формируя зону разрежения, что приводит к «вскипанию» находящейся на границе жидкости и вброса заметного ее количества в полость газового пузыря, чем и достигается эффект охлаждения.

Таким образом, два одинаковых заряда, разнесенных на необходимое расстояние и будучи одновременно инициированными, помимо того, что являются источниками синтезируемых УДА, выполняют по отношению друг к другу функцию средства охлаждения продуктов детонации.

Способ может быть реализован в различных вариантах. Так, могут варьироваться число и мощность применяемых зарядов и их взаимное пространственное расположение. При этом в качестве источников УДА могут использоваться все заряды, а возможно и разделение их по назначению: часть из них может служить для синтеза УДА, а часть использоваться только для целей охлаждения. Очевидно, что в последнем случае используемые для охлаждения заряды не обязательно должны быть изготовлены из углеродосодержащих ВВ с отрицательным кислородным балансом. Очевидно также, что при функциональном разделении зарядов не обязательно обеспечение одновременности их подрыва. Напротив, соответствующим подбором времени задержки инициирования одних зарядов по отношению к другим можно обеспечить приход ударной волны от «охлаждающих» зарядов к газовому пузырю в оптимальный момент времени, обеспечивающий максимизацию выхода УДА с необходимыми характеристиками.

Выбор используемой в качестве среды жидкости обусловлен ее механическими и теплофизическими характеристиками, обеспечивающими наилучший результат. Это могут быть различные масла, силиконовые жидкости и пр. Вместе с тем понятно, что из экономических соображений целесообразно использование воды.

Поскольку, в отличие от прототипа, к стенкам бассейна в предлагаемом способе не предъявляется никаких особых требований, в качестве бассейна может фигурировать углубление с вовсе необорудованными стенками, вплоть до котлована в произвольном грунте.

Возможно также использование естественного водоема, в том числе и открытого. В этом случае способ может быть осуществлен, например, путем сбрасывания зарядов в водоем с заякоренных плавсредсв. Фиксирование расстояния между зарядами может быть обеспечено как жесткими штангами, так и гибкими связями, натягиваемыми с помощью соответствующим образом установленных грузил и поплавков. Можно использовать и вовсе несвязанные тонущие заряды, требуемое расстояние между которыми обеспечивается соответствующим разнесением точек сброса при условии соблюдения необходимой синхронизации при их сбросе и инициировании. Причем инициирование можно осуществлять как по проводам, так и за счет применения специальных средств инициирования, срабатывающих при достижении заданной глубины или по управляющему ультразвуковому импульсу.

В случае реализации предлагаемого способа в открытом водоеме предпочтительно выбирать участки акватории с практическим отсутствием течений в приповерхностных слоях в период проведения работ и проводить эти работы на минимально возможной глубине. При этих условиях активное перемешивание воды имеет место лишь в относительно небольшом объеме, непосредственно охватывающем область формирования и всплытия газового пузыря. Линии тока образуют замкнутые вихревые структуры, и массоперенос за пределы этого объема оказывается минимальным. Таким образом, при организации достаточно большой серии последовательных подрывов будет происходить насыщение этого объема АШ. После проведения серии подрывов можно изолировать этот объем снизу и с боков от остальной массы воды, например, путем заключения его в полимерную пленку. В качестве удобного и легко реализуемого варианта можно предложить разворачивание пленки в воде в виде воронки, т.е. в коническую поверхность с основанием конуса на свободной поверхности воды и вершиной, расположенной ниже точки осуществления подрывов. Тогда, после отстаивания в течение нескольких часов, АШ концентрируется в нижней части изолированного объема, образуя взвесь, которая легко может быть откачана с целью последующего фильтрования для выделения непосредственно АШ.

Предлагаемый способ детонационного синтеза УДА может быть совмещен с задачей утилизации отслуживших свой срок боеприпасов, в частности боеприпасов фугасного, осколочного, осколочно-фугасного и кумулятивного действия, снаряженных смесями тротила и гексогена. В этом случае в качестве зарядов непосредственно используют подлежащие утилизации боеприпасы или их боевые части.

В целях повышения количества переходящей в жидкость доли АШ и минимизации ее выноса в атмосферу между свободной поверхностью жидкой среды и подрываемыми зарядами можно располагать рассекатель газового пузыря, обеспечивающий дробление пузыря при его прохождении через рассекатель на множество мелких пузырьков.

С той же целью возможно образование в пространстве над поверхностью жидкости капельной завесы за счет интенсивного орошения этого пространства множеством струй. Это должно способствовать улавливанию твердых продуктов детонации из атмосферы и возвращению их в жидкую среду.

Использование изобретения позволит при минимальных затратах существенно увеличить производство УДА как перспективного наноматериала со множеством важных применений.

Изобретение может быть использовано в нанотехнологии и при утилизации боеприпасов. Детонационный синтез ультрадисперсных алмазов осуществляют путем подрыва зарядов в жидкой среде, при каждом из которых осуществляют подрыв не менее чем двух разнесенных в пространстве зарядов. Затем собирают растворенную в жидкой среде алмазосодержащую шихту и выделяют из нее алмазы. Между поверхностью жидкой среды и подрываемыми зарядами можно расположить рассекатель газового пузыря, а в пространстве над поверхностью жидкости - капельную завесу. В качестве зарядов можно использовать подлежащие утилизации боеприпасы или их части. Повышение выхода ультрадисперсных алмазов с необходимыми характеристиками достигают подбором мощности зарядов, расстояния между ними, пространственной конфигурации, времени задержки при инициировании. Изобретение позволяет удешевить производство алмазосодержащей шихты при увеличении производительности. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ детонационного синтеза ультрадисперсных алмазов путем подрыва зарядов в жидкой среде, отличающийся тем, что производят подрывы, при каждом из которых осуществляют подрыв не менее чем двух разнесенных в пространстве зарядов, после чего осуществляют сбор растворенной в жидкой среде алмазосодержащей шихты и выделение из нее алмазов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между свободной поверхностью жидкой среды и подрываемыми зарядами располагают рассекатель газового пузыря.

3. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в пространстве над поверхностью жидкости образуют капельную завесу.

4. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве зарядов используют подлежащие утилизации боеприпасы или их боевые части.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве зарядов используют подлежащие утилизации боеприпасы или их боевые части.