Устройство высокого давления и температуры

Изобретение относится к технике высокого давления и высокой температуры, а именно к технологии производства сверхтвердых материалов (алмаза, лонсдейлита, кубического и вюртцитного нитрида бора, фуллеренов). Устройство высокого давления и температуры включает скрепленные стальными поддерживающими и запорными кольцами, содержащими полости, два твердосплавных пуансона, на обращенных друг к другу торцовых поверхностях которых выполнены центральные углубления, и поверхности от границ центральных углублений к краям пуансонов выполнены профилированными, при этом в центральных углублениях и между профилированными поверхностями пуансонов размещен контейнер с образцом и нагревательным элементом. Профилированные поверхности пуансонов выполнены в виде каскада кольцевых уступов от центрального углубления к периферии, состоящих из серии кольцевых площадок, сопряженных с кольцевыми откосами, причем кольцевые площадки выполнены с увеличивающимся от центра к периферии размером, при этом угол между первым откосом и второй площадкой выполнен в пределах 145-160°, угол между вторым откосом и третьей площадкой выполнен в пределах 115-130°, а угол между третьим откосом и четвертой площадкой выполнен в пределах 125-150°, вторая, третья и четвертая площадки выполнены с углом наклона по отношению к плоскости, перпендикулярной оси пуансона, в пределах от 0 до 5°, 5-10° и 5-20° соответственно, отношение ширины кольцевых площадок к ширине откосов и глубины центрального углубления к его диаметру находится в пределах от 1:1 до 5:1 и от 0,15:1 до 0,2:1 соответственно, запорные кольца выполнены по высоте большими, чем поддерживающие кольца, причем на обращенных друг к другу торцевых поверхностях запорных колец выполнены кольцевые полости, по высоте ограниченные торцевыми поверхностями запорных колец, образующих эти полости, а высота в этой части запорных колец равна высоте боковой поверхности пуансона, причем отношение наружного диаметра полостей к диаметру пуансонов находится в пределах от 1,3:1 до 1,5:1, при этом в полости размещено кольцо из упруго-пластичного материала, а контейнер выполнен составным, причем его центральная часть выполнена из кальцита, характеризующегося меньшим коэффициентом сжимаемости, чем пирофиллит, из которого изготовлена периферийная часть контейнера. Изобретение позволяет расширить диапазоны рабочих давлений и осуществлять синтез сверхтвердых материалов без использования катализаторов при давлениях выше 10 ГПа и температурах до 2000°С и выше. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к технике высокого давления и высокой температуры, а именно к технологии производства как известных сверхтвердых материалов (алмаза, лонсдейлита, кубического и вюртцитного нитрида бора), а также для синтеза новых сверхтвердых и ультратвердых материалов, например материалов на основе фуллеренов и нанотрубок.

Известно устройство для создания высокого давления и температуры (патент РФ № 2137537, МКИ В01J 3/06, бюл. № 26, 20.09.99 г.), которое содержит две соосно установленные матрицы, обращенные друг к другу углублениями со сферическими лунками, сопрягающимися с коническими поверхностями, образующими камеру высокого давления, внутрь которой помещен контейнер с внутренним обогревом. Матрицы к периферии от углублений имеют коническую и плоскую поверхности, на которых располагаются кольцевые выступы. Лунки выполнены с разновеликими глубинами (H₁, Н₂ и диаметрами (d_л1, d_л2), внутренние и внешние конические поверхности лунок, образующие центральные конические кольцевые выступы, выполнены с разновеликими углами β₁, β₂ конусности. Кольцевые выступы по отношению к центральным коническим кольцевым выступам уменьшены на высоту не более 12% от глубины лунок H₁, H₂, а выступы выполнены в соотношении 1,2<d_к/d_л1<3,0, где d_к - диаметр кольцевого выступа; d_л1 - диаметр лунки пуансон-матрицы. При этом внутренние конические поверхности лунок матриц выполнены с углами α₁, α₂, равными 20-40° и 50-70° соответственно. Разница глубин лунок составляет не более 8%. Внешние конические поверхности лунок матриц выполнены с углами β₁, β₂, равными 45-60° и 70-90° соответственно.

Предлагаемое устройство в диапазоне всех отношений d_к/d_л1 значительно расширяет возможности управления по давлению в камере. При этом усилие пресса снижается по сравнению с прототипом до 30%. Давление в камере повышается.

Однако это устройство при изготовлении требует высокой точности, что затрудняет его изготовление, а при эксплуатации возможны сколы углов конусности, что приводит к сокращению срока использования устройства.

Известно также устройство для создания высокого давления и температуры (патент РФ № 2195363, МКИ В01J 3/06, бюл. № 36, 27.12.2002 г.), которое содержит две соосно расположенные и скрепленные стальными кольцами твердосплавные матрицы-наковальни, на рабочих поверхностях которых выполнены углубления в виде конусной поверхности, плавно сопрягаемой со сферической поверхностью в донной части углубления, и ступенчатый уступ в зоне формирования запирающего слоя, контейнер, спрессованный из литографского камня на органической связке, размещаемый в указанных углублениях и содержащий реакционную шихту, и кольца муфты из пластического материала, ограничивающие зону растекания материала контейнера при создании давления и температуры. Устройство характеризуется тем, что угол конуса указанного углубления выполнен с величиной 96±1°, превышение гребня углубления над гребнем ступенчатого уступа матрицы-наковальни определяется размерами 0,3-0,4 мм, соотношение высоты контейнера Н и его диаметра D составляет 1:1-1:1,6, а диаметр отверстия d в отверстии выбран таким образом, что отношение массы контейнера к массе реакционной шихты составляет 3,4-3,6. Устройство характеризуется также тем, что матрицы-наковальни выполнены из твердого сплава марки Н6С МКТС-Sandvik. Кольцо-муфта выполнено из полиэтилена низкого давления. Преимуществом данного устройства является оптимизация соотношений геометрических параметров составных частей устройства, что, по мнению заявителя, влияет на надежность, долговечность и повышение производительности.

Однако оптимизация соотношений геометрических параметров составных частей устройства ограничивает область его использования, а возможность сколов гребней рабочей лунки сокращает срок службы устройства.

Известно устройство для создания высокого давления и температуры (патент РФ № 1332598, МКИ В01J 3/06, бюл. № 7, 23.02.1990 г.), содержащее по боковым поверхностям поддерживающими кольцами соосно установленные матрицы с центральными углублениями, ограничивающие их коаксиальные кольцевые выступы, и контейнер с образцом и нагревателем, установленным в центральных углублениях. При этом кольцевые выступы выполнены усеченными и отношение ширины усеченной поверхности выступа к высоте центрального углубления составляет 0,5-1,5.

Использование данного устройства позволяет повысить рабочее давление по сравнению с прототипом и продлить срок службы устройства, но не позволяет использовать его в широком диапазоне параметров по температуре и давлению.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство, описанное в патенте РФ № 2173574, МКИ В01J 3/06, опубл. 20.09.2001 г. Устройство высокого давления и температуры содержит скрепленные стальными поддерживающими и запорными кольцами два твердосплавных пуансона. На обращенных друг к другу торцовых поверхностях пуансонов выполнены центральные углубления и периферийные кольцевые канавки, вершины которых расположены на поверхности вращения с осью устройства. В центральных углублениях и периферийных кольцевых канавках размещены контейнер и кольцевые уплотнительные прокладки из пластичных материалов. Пуансон и запорные кольца устройства выполнены по высоте меньше, чем поддерживающие кольца, между торцовыми поверхностями нижнего и верхнего запорных колец выполнена полость с соотношением ее наружного диаметра к диаметру пуансона от 1,5:1 до 2:1 и заполнена пластичным материалом, на торце одного из запорных колец выполнен кольцевой выступ. Между торцами верхних и нижних поддерживающих колец расположен слой тепло- электроизоляционного материала. Пуансоны и запорные кольца выполнены по отношению к поддерживающим кольцам в соотношении от 0,9:1 до 0,95:1, в качестве пластичного материала используют катлинит или пирофиллит. Кольцевой выступ выполнен с отношением его высоты к высоте полости между запорными кольцами в пределах от 0,8:1 до 0,9:1 и отношением внутреннего диаметра выступа к диаметру пуансона в пределах от 1,2:1 до 1,4:1.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет создавать в рабочем объеме до 9 ГПа, за счет конструктивных особенностей продлить срок эксплуатации при работе в промышленных и полупромышленных условиях при спекании сверхтвердых изделий.

Однако имеются существенные недостатки, которые особенно проявляются при давлениях выше 10 ГПа и высоких температурах. Одним из таких недостатков является наличие на торцовых поверхностях пуансонов периферийных кольцевых канавок с вершинами, расположенными на поверхности вращения с осью устройства. В процессе работы устройства при давлениях выше 10 ГПа в материале вершин пуансонов периодически создаются экстремально высокие механические напряжения, которые приводят к появлению трещин, а затем - к полной непригодности устройства. Устройство также не позволяет варьировать сдвиговые составляющие механических напряжений, которые существенно активируют прямые фазовые превращения в исходных материалах при получении сверхтвердых и ультратвердых материалов.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков и создание такого устройства высокого давления и температуры, которое за счет конструктивных решений позволяет расширить диапазон рабочих давлений и осуществлять синтез сверхтвердых материалов при давлениях выше 10 ГПа и температурах до 2000°С и выше.

Поставленную задачу решают следующим образом.

Устройство высокого давления и температуры по предлагаемому изобретению содержит два твердосплавных пуансона, скрепленные запорными и поддерживающими стальными кольцами. На обращенных друг к другу торцовых поверхностях твердосплавных пуансонов выполнены центральные углубления с соотношением глубины центрального углубления к его диаметру от 0,15:1 до 0,2:1. От границ центральных углублений к периферии профилированная поверхность пуансонов выполнена в виде каскада кольцевых уступов, состоящих из серии кольцевых площадок, сопряженных с кольцевыми откосами (фиг.1 и фиг.2), при этом кольцевые площадки выполнены шириной по отношению к ширине откосов в соотношении от 1:1 до 5:1. Кольцевые площадки выполнены увеличивающимися по ширине от центрального углубления к периферии, при этом угол между первым откосом и второй площадкой выполнен в пределах 145-160°, угол между вторым откосом и третьей площадкой выполнен в пределах 115-130°, а угол между третьим откосом и четвертой площадкой выполнен в пределах 125-150°. Кольцевые площадки выполнены по отношению к плоскости, перпендикулярной оси пуансона с углом наклона. Вторая площадка выполнена с углом наклона в пределах от 0 до 5°, третья и четвертая площадки с углом наклона в пределах 5-10° и 5-20°, соответственно. Ширина первой площадки уступа по отношению к последующим трем площадкам уступов выполнена в соотношении от 1:2:3:4 до 1:2,5:3,8:5. В центральных углублениях и на кольцевых уступах пуансонов размещают составной контейнер из пластичных материалов, нагревательный элемент и образец. Центральная часть составного контейнера выполнена, например, из кальцита, а периферийная часть, например, из пирофиллита. Запорные кольца устройства выполнены по высоте по отношению к наибольшей высоте пуансонов в соотношении от 1:0,98 до 1:1 и по отношению к поддерживающим кольцам выполнены большими по высоте и в соотношении от 1:0,8 до 1:0,9. На обращенных друг к другу торцовых поверхностях запорных колец выполнены кольцевые полости, по высоте ограниченные торцовыми поверхностями запорных колец, образующих эти полости, а высота в этой части запорных колец выполнена равной высоте боковой поверхности пуансона, причем наружный диаметр полостей по отношению к диаметрам пуансонов выполнен с соотношением в пределах от 1,3:1 до 1,5:1. В полости размещено кольцо из упруго-пластичного материала, например текстолита или политетрафторэтилена. Между торцовыми поверхностями верхних и нижних запорных колец помещают слой электроизоляционного материала, например резины или пластика.

Разрез устройства для создания высокого давления и температуры показан схематично на фиг.1, на левой части чертежа до осевой линии показан разрез устройства до сжатия, справа - после сжатия. Твердосплавные пуансоны (1) с центральным углублением (2) скреплены набором стальных запорных (3) и поддерживающих колец (4) и (4а). Вид профилированной части пуансона в увеличенном масштабе показан на фиг.2.

По обе стороны от центрального углубления (2) к внешней границе профилированной части пуансона выполнен каскад кольцевых уступов: уступ А-В, включающий площадку А и откос В; уступ C-D, включающий площадку С и откос D; уступ E-F-G, включающий верхнюю площадку Е, откос F и нижнюю площадку G. Кольцевые площадки Е и G выполнены с углами α₁, α₂ по отношению к плоскости, перпендикулярной оси пуансона, равными 5-10° и 5-20° соответственно, при этом кольцевая площадка А перпендикулярна оси пуансона, а кольцевую площадку С располагают по отношению к плоскости, перпендикулярной оси пуансона, в интервале углов 0-5°. Поверхность откоса В и поверхность площадки С выполнены с углами β₁, принимающими значения в интервале 145-160°. Откос D и площадка Е выполнены с углами β₂, откос F и площадка G выполнены с углами β₃, которые составляют 115-130° и 125-150° соответственно. Радиус округления вершин углов составляет 1-2 мм.

Между профилированными поверхностями пуансонов (9) размещают составной контейнер, состоящий из детали (7), изготовленной из минерального сырья, например кальцита, и детали (8), выполненной из минерального сырья, например пирофиллита, который имеет большую сжимаемость, чем кальцит. В центральных углублениях двух пуансонов размещают образец исходного материала (5), нагревательный элемент (6). В нижнем и верхнем запорных кольцах выполнены кольцевые полости (10), в которых размещают кольцо (11) из упруго-пластичных материалов (текстолит, политетрафторэтилен и др.). Между торцовыми поверхностями верхних и нижних запорных колец помещают слой электроизоляционного материала (12), например резины или пластика.

Предлагаемое устройство предназначено для изготовления материалов при давлениях преимущественно выше 10 ГПа и температурах до 2000°С и выше. Для изготовления различных материалов в устройстве должны быть созданы оптимальные давления и температуры. Например, для получения алмаза, лонсдейлита, вюртцитного и кубического нитрида бора при прямых фазовых переходов необходимо создавать давление 10÷13 ГПа и соответствующие температуры, а для получения ультратвердых модификаций полимеризованного фуллерита необходимо создавать давление 13 ГПа и выше. Чтобы обеспечить достижение давлений в указанных диапазонах в предлагаемом устройстве, экспериментально установлено и выполнено предложенное каскадное размещение уступов на профилированной части пуансонов, а для обеспечения оптимальных условий в процессе работы указаны пределы некоторых соотношений деталей устройства, отклонение от которых приводит к сокращению срока использования оборудования и, следовательно, к повышению себестоимости получаемых материалов. В первом случае для получения, например, алмаза и лонсдейлита отношение глубины углубления к его диаметру выбирают 0,2:1, запирающие кольца по отношению к поддерживающим кольцам по высоте выполнены в соотношении 1:0,9, а по отношению наибольшей высоты пуансонов в соотношении от 1:1, внешний диаметр полости (10) запорных колец к диаметру пуансона (1) выполнен в соотношении 1,3:1, а ширина первой площадки уступа по отношению к последующим трем площадкам уступов выполнена в соотношении 1:2,5:3,8:5. Во втором случае, например, для получения модификаций фуллерита эти соотношения имеют вид: 0,15:1; 1:0,8; 1:0,98; 1,5:1; 1:2:3:4 соответственно. Выход за пределы предлагаемых в техническом решении параметров не приводит к заявляемому результату.

Устройство работает следующим образом. При нагружении устройства, используя прессовую установку, происходит сближение пуансонов (1) (правая часть фиг.1), при этом материалы деталей (7) и (8) составного контейнера, находящегося между профилированными поверхностями пуансонов, при сжатии переходят в вязкотекучее состояние и вытекают как в направлении нагревательного элемента (6) и образца исходного материала (5), так и в направлении периферии пуансонов. Образец (5) сжимается как за счет осевого сближения пуансонов, так и за счет преимущественного перемещения материала контейнера в направлении образца. Преимущественное перемещение материала контейнера в сторону образца обусловлено каскадньм расположением уступов на профилированных поверхностях пуансонов и выбранными соотношениями между составными частями уступов. Материал детали (8) составного контейнера достигает внутренних границ кольца (11), и истечение в этом направлении практически останавливается. Из-за возрастающего внутреннего трения материала детали (7) контейнера при увеличении нагрузки на пуансоны происходит замедление перемещения материала в сторону образца. При дальнейшем увеличении нагрузки происходит "чистое" сжатие образца и материала контейнера. Относительно большое расстояние между площадками А верхнего и нижнего пуансонов на данном этапе сжатия позволяет увеличивать давление в зоне расположения образца (5) при дальнейшем увеличении нагрузки на устройство. Величину давления, генерируемого в предлагаемом устройстве, определяют, используя известные значения давлений, установленные для реперных материалов: Bi - 7,7 ГПа; Sn - 9,4 ГПа; Ва - 12 ГПа; Pb - 13 ГПа; ZnSe - 13,7 ГПа; ZnS - 15 ГПа. После создания требуемого давления в устройстве производят нагрев образца путем пропускания электрического тока через нагревательный элемент. После нагрева образца в течение заданного времени нагрев прекращают и разгружают устройство, уменьшая силовое воздействие пресса. При разгрузке происходит увеличение расстояния между профилированными поверхностями пуансонов и упругое восстановление материалов контейнера, нагревательного элемента и образца. Наличие запорных колец с выполненной полостью, в которую помещают кольцо из упруго-пластичного материала, например текстолита, препятствует самопроизвольному выбросу материала контейнера как при нагружении устройства, так и при его разгрузке.

В предложенном устройстве осуществлено превращение природного графита в сверхтвердый материал, состоящий из лонсдейлита и алмаза, полученных путем прямого перехода без катализатора при давлении 12 ГПа, температуре 1600°С и времени выдержки при указанных условиях 90 секунд. Получен образец цилиндрической формы диаметром 4 мм и высотой 3,5 мм. По данным рентгеноструктурного анализа содержание сверхтвердого материала в образце составляло 95 вес.%.

Также осуществлена полимеризация без использования катализатора заготовки плотностью 1,5 г/см³ из порошка исходного фуллерита С₆₀ при давлении 15 ГПа, температуре 1800°С и выдержке 60 секунд. Получен монолитный образец диаметром 2,5 мм и высотой 2 мм. Образец имеет каркасную наноструктуру, плотность образца 3,3 г/см³, микротвердость 150 ГПа, модуль Юнга 1050 ГПа, объемный модуль упругости 800 ГПа, модуль сдвига 380 ГПа и коэффициент Пуассона 0,26.

Таким образом, в предложенном устройстве возможно получение объемных образцов при давлении, по меньшей мере, до 15 ГПа и температурах от комнатной до 2000°С и выше, что позволяет расширить номенклатуру получаемых сверхтвердых материалов, которые могут быть использованы для изготовления лезвийных и абразивных инструментов, экстремально нагруженных узлах точных приборов, микромеханизмов и микромашин.

Предложенное устройство имеет ряд преимуществ по сравнению с прототипом:

1) устройство позволяет достигать давления, по меньшей мере, 15 ГПа (по прототипу 9 ГПа) и осуществлять нагрев образцов до 2000°С и выше;

2) простая, идентичная конструкция верхних и нижних запорных колец упрощает изготовление устройства высокого давления и температуры, его сборку и повышает надежность при использовании;

3) в предлагаемом устройстве при создании давления исходный образец подвергают сдвиговым деформациям, которые активируют прямые (без использования катализаторов) фазовые превращения при получении сверхтвердых материалов (алмаза, лонсдейлита, кубического и вюртцитного нитрида бора, а также сверхтвердых и ультратвердых модификаций фуллерита);

4) профилированные поверхности пуансонов устройства, предложенные в техническом решении, позволяют при одинаковом силовом воздействии пресса значительно повысить рабочее давление на образец по сравнению с прототипом.

1. Устройство высокого давления и температуры, включающее скрепленные стальными поддерживающими и запорными кольцами, содержащими полости, два твердосплавных пуансона, на обращенных друг к другу торцовых поверхностях которых выполнены центральные углубления, и поверхности от границ центральных углублений к краям пуансонов выполнены профилированными, при этом в центральных углублениях и между профилированными поверхностями пуансонов размещен контейнер с образцом и нагревательным элементом, отличающееся тем, что профилированные поверхности пуансонов выполнены в виде каскада кольцевых уступов от центрального углубления к периферии, состоящих из серии кольцевых площадок, сопряженных с кольцевыми откосами, причем кольцевые площадки выполнены с увеличивающимся от центра к периферии размером, при этом угол между первым откосом и второй площадкой выполнен в пределах 145-160°, угол между вторым откосом и третьей площадкой выполнен в пределах 115-130°, а угол между третьим откосом и четвертой площадкой выполнен в пределах 125°-150°, вторая, третья и четвертая площадки выполнены с углом наклона по отношению к плоскости, перпендикулярной оси пуансона, в пределах от 0° до 5, 5-10° и 5-20°, соответственно, отношение ширины кольцевых площадок к ширине откосов и глубины центрального углубления к его диаметру находится в пределах от 1:1 до 5:1 и от 0,15:1 до 0,2:1, соответственно, запорные кольца выполнены по высоте большими, чем поддерживающие кольца, причем на обращенных друг к другу торцевых поверхностях запорных колец выполнены кольцевые полости, по высоте ограниченные торцевыми поверхностями запорных колец, образующих эти полости, а высота в этой части запорных колец равна высоте боковой поверхности пуансона, причем отношение наружного диаметра полостей к диаметру пуансонов находится в пределах от 1,3:1 до 1,5:1, при этом в полости размещено кольцо из упругопластичного материала, а контейнер выполнен составным, причем его центральная часть выполнена из кальцита, характеризующегося меньшим коэффициентом сжимаемости, чем пирофиллит, из которого изготовлена периферийная часть контейнера.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отношение ширины первой площадки уступа к ширине последующих трех площадок находится в пределах от 1:2:3:4 до 1:2,5:3,8:5.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отношение высоты запорных колец к наибольшей высоте пуансонов и высоте поддерживающих колец находится в пределах от 1:0,98 до 1:1 и 1:0,8 до 1:0,9, соответственно.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве упругопластичного материала кольца используют текстолит или политетрафторэтилен.