Способ и устройство для раскалывания изделий из хрупкого и твердого материала

Изобретения предназначены для разрушения минеральных сред и других неметаллических хрупких и твердых материалов. Способ и устройство для раскалывания изделий включают в себя воздействие на изделие электрическими импульсными разрядами между электродами, создаваемыми в герметичной электроразрядной камере с жидкостью, внутренняя поверхность которой выполнена в виде усеченного эллипсоида вращения, в одном из фокусов которого или вблизи него внутри электроразрядной камеры располагают положительный электрод, а отрицательный электрод, с которым связывают раскалывающий инструмент, располагают с внешней стороны электроразрядной камеры во втором фокусе эллипсоида вращения или вблизи него. Изобретение позволяет раскалывать изделия из хрупкого и твердого неметаллического материала. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способу и устройству для разрушения минеральных сред и других неметаллических хрупких и твердых материалов, в частности для раскалывания изделий из таких материалов как, например, стержни или куски произвольной формы из поликристаллического или некондиционного монокристаллического кремния, когда необходимо обеспечить минимальное загрязнение обрабатываемого материала примесями других материалов.

Как известно, проблема измельчения (раскалывания) стержней или кусков из поликристаллического или монокристаллического кремния до кусков оптимальных размеров (то есть удобных для загрузки в кварцевый тигель с целью последующего их расплавления) является исключительно важной в современной полупроводниковой металлургии.

Известен способ разрушения монолитных объектов, в первую очередь горных пород (а.с. СССР №407048, Е 21 С 37/12, опубл. 15.05.1983 г.), который включает в себя воздействие на них электрогидравлическими ударами, возникающими при высоковольтных импульсных разрядах между положительным и отрицательным электродами в жидкости, путем испарения в ней или в увлажненном сыпучем диэлектрическом материале натянутого между электродами токоведущего взрывающегося теплового элемента, например проволочки, трубки, ленточки, при пропускании импульса тока через этот элемент.

Основным недостатком известного способа является то, что использующиеся в нем жидкость или увлажненный сыпучий материал находится в непосредственном контакте с материалом, который требуется разрушить, что в случае применения его для раскалывания изделий неизбежно создаст условия для загрязнения изделий.

Кроме того, в известном способе после каждого электрического импульса требуется замена токопроводящего элемента, что усложняет процесс разрушения материалов.

Известен также способ дробления материалов (а.с. СССР №1392717, В 02 С 19/18, 1989 г.), который включает в себя размещение материала в жидкости и воздействие на него в межэлектродном промежутке электрическими импульсными разрядами со временем нарастания амплитуды напряжения импульсного электрического разряда до пробоя меньше 5·10^-6 с и энергией разрядов от 40 до 80 Дж на 1 мм межэлектродного промежутка, а также временем нарастания разрядного тока от 10^-6 до 10^-5 с. Межэлектродный промежуток выбирают равным или меньшим толщины изделия из обрабатываемого материала.

К недостаткам известного способа следует отнести, во-первых, необходимость размещения подвергаемого разрушению объекта в технологической емкости с жидкостью, которая может загрязнять материал объекта, и, во-вторых, необходимость увеличения размеров разрядного технологического реактора или значительного ограничения габаритов материалов, которые закладываются для обработки. Кроме того, при этом способе межэлектродный промежуток, как рекомендуется в отдельных случаях, должен быть меньшим толщины разрушаемого материала, что приводит к необходимости сверления шпуров. Кроме того, для осуществления подобных способов взаимодействия с разрушаемыми материалами известно устройство для очистки поверхностей от загрязнения (а.с. СССР №153827, опубл. 08.11.1968 г.), состоящее из металлической камеры-отражателя, в которую вмонтированы электроды. Внутренняя поверхность камеры-отражателя выполнена из эластичного диэлектрического материала, имеет утолщение по ободу, на внешней поверхности ее расположена рукоятка для перемещения устройства вдоль обрабатываемой поверхности, а в корпусе камеры вмонтированы трубки для подачи и отвода воды. Электроды с помощью кабелей высокого напряжения подключены к генератору импульсных токов.

Однако указанное известное устройство не может быть использовано для разрушения твердых пород, т.к. в нем не предусмотрено увеличение разрушающих действий ударных волн.

Известно устройство для дробления материалов (а.с. СССР №1538928, В 02 С 19/00, опубл. 1990 г.), которое включает цилиндрическую рабочую камеру для дробления материалов с крышкой, прижатой шайбой, и днищем-поршнем, установленным на открытой сверху, заполненной жидкостью технологической емкости с электродами, подключенными к генератору импульсов.

Один из серьезных недостатков известного устройства заключается в том, что разрушение материала осуществляется внутри рабочей камеры, что не позволяет использовать этот процесс для объектов значительных размеров, в частности длинных стержней из поликристаллического или монокристаллического кремния. Таким образом, в настоящее время существуют определенные проблемы при осуществлении процесса разрушения, дробления и раскалывания хрупких и твердых материалов, раскрытые выше.

Задачей настоящего изобретения является преодоление недостатков известных способов и устройств, в частности, при раскалывании изделий из таких материалов.

Одной из задач настоящего изобретения является создание способа и устройства, которые позволяют за счет увеличения амплитуды и крутизны фронта генерируемых ударных волн обеспечить раскалывание протяженных стержней из неметаллических твердых материалов на куски заданных размеров при минимальных потерях материала в виде мелкой крошки.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, которые обеспечивают раскалывание изделий из неметаллических твердых материалов без погружения изделия в жидкость, улучшая условия эксплуатации и повышая экономичность процесса.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, которые обеспечивают раскалывание изделий из твердых неметаллических материалов, например стержней или кусков из поликристаллического или монокристаллического кремния, без загрязнения какими-либо примесями.

Для достижения этих задач в настоящем изобретении предложен способ раскалывания изделия из хрупкого и твердого материала, заключающийся в воздействии на изделие электрическими импульсными разрядами, возникающими между электродами, размещенными в герметичной электроразрядной камере с жидкостью. При этом внутренняя поверхность электроразрядной камеры выполнена в виде усеченного эллипсоида вращения, в одном из фокусов которого или вблизи него внутри электроразрядной камеры располагают положительный электрод, а отрицательный электрод, с которым связывают раскалывающий инструмент, располагают с внешней стороны электроразрядной камеры во втором фокусе эллипсоида вращения или вблизи него.

При этом способе раскалывания изделие может представлять собой, в частности, стержень или кусок произвольной формы из поликристаллического или монокристаллического кремния, а указанное воздействие может осуществляться с энергией в импульсе более 0,1 кДж, при этом емкость накопителя не превышает 1 мкФ, а частота указанных электрических импульсных разрядов находится в диапазоне от 2 до 4 Гц.

Дополнительно в предложенном способе раскалывающий инструмент устанавливают по большой оси эллипсоида вращения так, чтобы на нем или вблизи него находился второй фокус эллипсоида вращения, а герметизацию электроразрядной камеры осуществляют путем установки в ней днища, закрепленного на эластичных подвесках, при этом раскалывающий инструмент связывают с указанным днищем.

Еще в одном варианте настоящего изобретения предложено устройство для раскалывания изделия из хрупкого и твердого материала, содержащее электроразрядную камеру с жидкостью, положительный и отрицательный электроды, подключенные к генератору импульсных токов для осуществления электрических импульсных разрядов. При этом внутренняя поверхность электроразрядной камеры выполнена в виде усеченного эллипсоида вращения, по месту усечения которого установлено подвижное герметичное днище, положительный электрод расположен внутри электроразрядной камеры вблизи или в одном из фокусов эллипсоида вращения, а для взаимодействия с указанным изделием с внешней стороны электроразрядной камеры на подвижном днище установлен раскалывающий инструмент, образующий с указанным днищем отрицательный электрод в месте нахождения или вблизи второго фокуса эллипсоида вращения.

Кроме того, в устройстве указанное днище выполнено в виде плиты, установленной на эластичных подвесках.

Дополнительно, в устройстве раскалывающий инструмент установлен по большой оси эллипсоида вращения, а сечение эллипсоида вращения выполнено перпендикулярно большой оси эллипсоида вращения.

Преимущества и достоинства настоящего изобретения будут более понятны по нижеследующему описанию предпочтительных примеров осуществления изобретения со ссылкой на сопроводительный чертеж, где изображено продольное сечение устройства для раскалывания изделий, соответствующего настоящему изобретению.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения устройство для раскалывания изделий содержит корпус 1 электроразрядной камеры 2, внутренняя поверхность которой выполнена в виде усеченного эллипсоида вращения. Камера 2 заполнена жидкостью, обычно водой. Сечение корпуса 1 и, соответственно, внутреннего эллипсоида вращения может быть выполнено перпендикулярно основной оси эллипсоида, хотя, в принципе, оно может иметь и другое направление. Внутри электроразрядной камеры 2 расположен положительный электрод 3, с наружной стороны окруженный изолятором 4, выполненным, например, из полиэтилена. Электрод 3, показанный на чертеже, закреплен с помощью узла крепления в верхней части корпуса 1 посредством известных и обычных в таком случае элементов, обеспечивающих жесткое крепление и надежную герметизацию соединения указанного узла с корпусом 1. Электрод 3 размещен в камере 2 таким образом, чтобы его обращенная в эту камеру концевая часть 5 располагалась в фокусе эллипсоида вращения или вблизи него. По месту сечения корпуса 1 на нем герметично установлено подвижное днище, которое в представленном на чертеже варианте выполнено в виде жесткой плиты 6, закрепленной на эластичных кольцевых подвесках 7 к корпусу 1. Крепление подвесок 7 к корпусу 1 может быть выполнено посредством фланцевого или хомутового соединения 8. Плита 6 должна изготавливаться из твердых сплавов, а подвески 7 -,например, из эластичной вакуумной резины, обеспечивающей долговечность и надежность соединения при ударных нагрузках. С внешней стороны электроразрядной камеры 2 на плите 6 закреплен раскалывающий инструмент (концентратор) 9. Крепление концентратора 9 к плите 6 может быть выполнено путем размещения его в углублении плиты 6 и дальнейшего соединения каким-либо известным механическим способом двух жестких элементов между собой. В то же время плита 6 и инструмент 9 могут быть выполнены как единое целое в виде одного цельного элемента. Раскалывающий инструмент 9 изготовлен таким образом, чтобы его открытый конец, взаимодействующий с обрабатываемым изделием 10, мог осуществлять раскалывание, дробление или разрушение твердого и хрупкого материала, в частности поликристаллического или монокристаллического кремния.

Сечение корпуса 1 и место установки его днища определяется из того, чтобы второй фокус эллипсоида вращения находился на плите 6 или на раскалывающем инструменте 9 с внешней стороны герметичной электроразрядной камеры 2. Обрабатываемые изделия 10 устанавливают под раскалывающим инструментом 9 таким образом, чтобы инструмент 9 откалывал заданный размер изделия 10. Для осуществления работы устройства по раскалыванию твердого и хрупкого материала используется известная и достаточно стандартная для подобных случаев электрическая система (не показана), которая обычно включает в себя источник тока и заряженный конденсатор, а также разрядный контур, состоящий из конденсатора, коммутатора и соединяющих проводов. С такой электрической системой связан положительный электрод 3 и узел плиты 6 с инструментом 9, выполняющий роль отрицательного электрода.

Работа заявленных устройства и способа раскалывания изделий основана на использовании возникающих между электродами электрических разрядов взрывного характера (действенная часть которых в настоящем изобретении производится у положительного полюса) и воздействия ударной волны на раскалывающий инструмент.

Электроразрядную камеру 2 заполняют водой, а изделие 10 размещают на таком месте относительно раскалывающего инструмента 9, чтобы была отколота часть изделия заданного размера. Затем между положительным электродом 3 (анодом) и отрицательным электродом производят электрические разряды с помощью указанной электрической системы. Схематично это можно описать следующим образом. Оператор подает команду на зарядку конденсатора (сравнительно медленная операция), когда конденсатор оказывается заряженным до определенного потенциала на обкладках, срабатывает коммутатор и переводит конденсатор в режим разряда (очень быстрая операция), конденсатор разряжается (очень быстрая операция) и в разрядном промежутке электродной системы разрядной камеры происходит, по существу, электрический взрыв. Электрические разряды осуществляют с энергией в импульсе, составляющей не менее 0,1 кДж, частотой следования импульсов в диапазоне от 2 до 4 Гц, при емкости накопителя энергии не более 1 мкФ. Под энергией в импульсе понимается энергия, которая накапливается конденсатором, а затем быстро выделяется в разрядном контуре и разрядном промежутке. Вещество в канале разряда быстро (за 1-2 мкс) разогревается до температуры (15-30)×10³ К, и в нем резко повышается давление. Под действием этого давления стенки канала разряда в воде раздвигаются с большой скоростью, возбуждая ударную волну в среде. При названной величине энергии разряда 0,1 кДж можно получить минимальную амплитуду импульса давления, при которой начинается образование трещин в любых по прочности минеральных материалах. Стержень или кусок поликристаллического или монокристаллического кремния любого размера будет разрушен как целое в результате воздействия большого количества импульсов, последовательно вводимых (один за другим) в зону воздействия, а его диаметр только определяет общее количество импульсов, необходимых для полного разрушения заданной зоны.

По той причине, что способ основывается на использовании разрядов, имеющих длительность переднего фронта не больше 2 мкс, максимальная емкость накопителя не может быть большей 1 мкФ. Длительность переднего фронта импульса давления определяет жесткость ударного воздействия (чем меньше длительность, тем более жесткий удар). Для кристаллических минеральных сред длительность переднего фронта импульса давления больше 2 мкс не может обеспечить минимальную для эффективного разрушения жесткость. Емкость накопителя энергии больше 1 мкФ недопустима по той же причине (чем больше емкость, тем больше длительность импульса давления и его переднего фронта).

Выполнение требований относительно того, чтобы частота посылок импульсов была в пределах от 2 до 4 Гц, необходимо для того, чтобы процесс разрушения приближался к резонансному.

Разрядный канал формируется положительным электродом 3 и отрицательным электродом узла плиты 6 и инструмента 9, при его расширении возникают ударные волны, которые в верхней части эллипсоидной камеры отражаются от массивных жестких стенок с удвоением амплитуды давления в отраженных волнах. Поле давлений, создаваемое ими, через короткий промежуток времени оказывается сфокусированным во втором фокусе эллипсоида. Амплитуда волн давления здесь еще раз удваивается и передается через инструмент 9 в толщу раскалываемого стержня, возбуждая локально в сечении местные напряжения, а вслед за счет общего перемещения инструмента 9, набегающего на напряженную зону, происходит откол куска стержня заданных размеров. Очень прочные материалы могут раскалываться при многократном импульсном воздействии на стержень через инструмент, устанавливаемый в заданной зоне в одной позиции. Накопление деформаций в материале за счет суммирования дозированной энергии в конечном итоге приводит к такому же разделению, как описано выше.

Электроразрядная камера 2 имеет жесткие, массивные стенки. Из теории ударных волн, а также теории и практики взрыва (см. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, М.: Наука, 1966) известно, что при падении ударной волны на жесткую преграду происходит ее отражение с удвоением амплитуды давления на фронте.

Свойства эллипсоида вращения таковы, что возмущения с определенными параметрами (акустические, ударно-волновые, электромагнитные), возникающие в одном из фокусов, через некоторое время (скорость распространения возмущений велика), за счет многократных отражений и переизлучений, сосредотачиваются (фокусируются) во втором фокусе и имеют практически те же параметры, что имели в первом фокусе.

1. Способ раскалывания изделий, заключающийся в воздействии на изделие электрическими импульсными разрядами между электродами, создаваемыми в герметичной электроразрядной камере с жидкостью, внутренняя поверхность которой выполнена в виде усеченного эллипсоида вращения, в одном из фокусов которого или вблизи него внутри электроразрядной камеры располагают положительный электрод, а отрицательный электрод, с которым связывают раскалывающий инструмент, располагают с внешней стороны электроразрядной камеры во втором фокусе эллипсоида вращения или вблизи него.

2. Способ раскалывания изделий по п.1, при котором изделие представляет собой стержень или кусок произвольной формы из поликристаллического или монокристаллического кремния.

3. Способ раскалывания изделий по п.2, при котором указанное воздействие осуществляют с энергией в импульсе, величина которой составляет более 0,1 кДж, при этом емкость накопителя не превышает 1 мкФ, а частота указанных электрических импульсных разрядов находится в диапазоне от 2 до 4 Гц.

4. Способ раскалывания изделий по п.1 или 2, при котором раскалывающий инструмент устанавливают по большой оси эллипсоида вращения так, чтобы на нем или вблизи него находился второй фокус эллипсоида вращения.

5. Способ раскалывания изделий по любому из пп.1-3, при котором герметизацию электроразрядной камеры осуществляют путем установки в ней днища, установленного на эластичных подвесках, при этом раскалывающий инструмент связывают с указанным днищем.

6. Устройство для раскалывания изделий, содержащее электроразрядную камеру с жидкостью, положительный и отрицательный электроды, подключенные к генератору импульсных токов для осуществления электрических импульсных разрядов, причем внутренняя поверхность электроразрядной камеры выполнена в виде усеченного эллипсоида вращения, по месту усечения которого установлено герметичное днище, положительный электрод расположен внутри электроразрядной камеры вблизи или в одном из фокусов эллипсоида вращения, а для взаимодействия с указанным изделием с внешней стороны электроразрядной камеры на днище установлен с возможностью перемещения раскалывающий инструмент, образующий с указанным днищем отрицательный электрод в месте нахождения или вблизи второго фокуса эллипсоида вращения.

7. Устройство для раскалывания изделий по п.6, в котором указанное днище содержит плиту и эластичные подвески, на которых она установлена.

8. Устройство для раскалывания изделий по п.7, в котором раскалывающий инструмент установлен по большой оси эллипсоида вращения.

9. Устройство для раскалывания изделий по любому из пп.6-8, в котором сечение эллипсоида вращения выполнено перпендикулярно большой оси эллипсоида вращения.