Контейнер устройства сверхвысокого давления

 

Использование: в производстве сверхтвердых материалов, в частности в устройствах для создания сверхвысоких давлений и температур, при получении сверхтвердых материалов спеканием порошков алмаза и кубического нитрида бора. Сущность изобретения: в контейнере устройства сверхвысокого давления для получения сверхтвердых материалов, выполненном составным из двух симметричных относительно горизонтальной плоскости частей, с центральным отверстием, в котором соосно размещены нагреватель с сквозным отверстием со стороны торцев для шихты, нагреватель имеет на торцах крышки, боковая поверхность нагревателя выполнена биконической с углом конуса 60 - 160^o, а площадь торцовой поверхности нагревателя составляет 0,2 - 0,8 площади соединения конусов. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к производству сверхтвердых материалов, в частности к устройствам для создания сверхвысоких давлений и температур, и может быть использовано при получении сверхтвердых материалов спеканием порошков алмаза и кубического нитрида бора.

Известен контейнер устройства сверхвысокого давления, корпус которого выполнен из упругопластичного электроизоляционного материала с центральным отверстием, в которое помещают полый цилиндрический нагреватель с прилегающими к его торцам проводящими крышками. В полость цилиндрического нагревателя помещают реакционную шихту.

Недостатком известного контейнера является низкий выход в годное сверхтвердых материалов из-за возникающих при их получении градиентов по давлению и температуре. Так, центральная зона реакционного объема испытывает более сильное обжатие, чем зона, прилегающая к крышкам, при этом величина градиентов по давлению по высоте реакционной шихты между центральной зоной и торцами может достигать значений 1-1,5 ГПа при давлении в центре 8 ГПа. Кроме того, из-за неизбежного теплоотвода от торцев нагревателя через крышки в массивные матрицы устройства сверхвысокого давления центральная зона реакционного объема нагревается сильнее, чем прилегающая к крышкам. Градиенты по давлению и температуре приводят к возникновению механических напряжений в образцах сверхтвердых материалов, релаксирующихся через трещинообразование и уменьшающих выход в годное цельнотельных (без трещин и сколов) образцов материалов.

Задача изобретения разработка контейнера, повышающего выход в годное при высокой износостойкости сверхтвердого материала.

Для этого контейнер устройства сверхвысокого давления для получения сверхтвердых материалов с центральным отверстием, в котором соосно размещен нагреватель со сквозным отверстием со стороны торцев для шихты и с прилегающими к его торцам крышками, выполнен составным из двух симметричных относительно горизонтальной плоскости частей, а боковая поверхность нагревателя выполнена биконической с углом конуса 60-160^о и площадь торцовой поверхности нагревателя составляет 0,2-0,8 площади соединения конусов.

На фиг. 1 представлен контейнер устройства сверхвысокого давления, разрез.

На фиг.2 изометричное изображение нагревателя с заштрихованными площадями торцовой поверхности нагревателя S₁ и соединения конусов S₂.

Контейнер содержит корпус 1 из упругопластичного материала, состоящий из двух частей, с центральным отверстием 2,0 в котором соосно размещен нагреватель 3 с крышками 4 на торцах и отверстием 5 для шихты. Боковая поверхность нагревателя 3 выполнена биконической с углом конуса 60-160^о.

Контейнер работает следующим образом.

В нижнюю часть корпуса 1 контейнера помещают нагреватель 3, закрывают нижней крышкой 4. На нижнюю часть корпуса контейнера 1 помещают его верхнюю часть. Со стороны незакрытого торца в отверстие 5 нагревателя помещают реакционную шихту и закрывают другой крышкой 4. Контейнер в собранном виде помещают в устройство высокого давления.

При силовом воздействии пресса происходит сдавливание контейнера 1. Материал корпуса контейнера 1 растекается в зазоры устройства. Возникающие силы трения внутри материала составного корпуса контейнера 1 и между ним и поверхностью устройства приводят к созданию сверхвысокого давления, действующего на нагреватель 3 и размещенную в нем реакционную шихту.

Наличие у нагревателя 3 биконической боковой поверхности с углом конуса 60-160^о с уменьшением площади поперечного сечения от места соединения конусов к торцам до соотношения 0,2-0,8 приводит к облегчению передачи давления от корпуса контейнера 1 к реакционной шихте в областях, прилегающих к крышкам 4, за счет уменьшения потерь на внутруннее трение и работу по сжатию более тонких стенок нагревателя у торцов, чем в центре.

Облегчение передачи давления от материала составного корпуса контейнера к реакционной шихте в направлении от середины нагревателя к его торцам способствует уменьшению градиентов по давлению по высоте реакционного объема и к лучшему обжатию реакционной шихты в зонах, прилегающих к торцам, что приводит к повышению износостойкости материала и выхода в годное.

Уменьшение площади поперечного сечения от места соединения конусов к торцам до соотношения 0,2-0,8 также способствует увеличению электросопротивления нагревателя от центра к торцам, что приводит при пропускании электрического тока к более сильному тепловыделению в зонах нагревателя, прилегающих к крышкам, чем в центральной зоне. Это приводит к компенсации тепловых потерь от торцев нагревателя и реакционной шихты, обусловленных теплоотводом через крышки, и приводит к равномерному распределению по реакционному объему. Уменьшение градиентов по давлению и температуре в реакционном объеме приводит, в свою очередь, к увеличению выхода в годное и износостойкости получаемых сверхтвердых материалов. Выполнение корпуса контейнера составным является более технологичным, что также повышает выход в годное.

Изготовление нагревателя с биконической боковой поверхностью с углом конуса менее 60^о не обеспечивает равномерной передачи давления от материала корпуса контейнера к реакционной шихте через материал нагревателя, что снижает износостойкость материала.

Если угол конуса более 160^о, не устраняются градиенты по давлению в реакционном объеме, что также снижает износостойкость материала.

При площади торцовой поверхности нагревателя менее 0,2 площади соединения конусов происходит увеличение локального тепловыделения у торцов нагревателя, что уменьшает срок службы устройства и приводит к возникновению термоградиентов по высоте образцов сверхтвердого материала из-за более высоких значений температуры у торцов, чем в середине нагревателя.

При площади торцовой поверхности нагревателя более 0,8 площади соединения конусов слабее уплотняются зоны реакционной шихты прилегающие к крышкам, чем центральная зона, что уменьшает износостойкость образцов сверхтвердого материала у торцев.

В лабораторных условиях были изготовлены образцы составных контейнеров с различными параметрами нагревателя.

В таблице представлены свойства образцов сверхтвердого материала, полученных в данных контейнерах.

Формула изобретения

Контейнер устройства сверхвысокого давления для получения сверхтвердых материалов, выполненный составным из двух симметричных относительно горизонтальной плоскости частей, с центральным отверстием, в котором соосно размещен нагреватель со сквозным отверстием со стороны торцов для шихты, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости сверхтвердого материала и выхода годного, нагреватель имеет на торцах крышки, боковая поверхность нагревателя выполнена биконической с углом конуса 60 160^o, а площадь торцевой поверхности нагревателя составляет 0,2 0,8 площади соединения конусов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3