Шихта для виготовлення нагрівача пристрою високого тиску

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 устройств высокого давления (УВД). 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 топлоизолятора, а электропроводности, соответствующей применяемому электропроводному материалу. Известна шихта для изготовления электронагревателя устройств высокого давления (А.с. СССР №1619500, кл. B01J30/03, 03.06.80), содержит графит (15 - 50мас.%) в смеси с монотермитом и монотермитовой глиной (30 - 90мас.%). 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 30мм. Известна также шихта для нагревателя устройства высокого давления (А.с. СССР №1570097, кл. B01J3/06, 11.11.87), состоящая из смеси графита (10 - 90мас.%) с каолинитом и каолинитовой глиной. Недостатком этого нагревателя 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 к заявляемому решению является шихта для нагревателя устройства высокого давления (А.с. СССР №1607164, кл. B01J3/06), содержащая в качестве электропроводного материала графит (10 - 70мас.%) и в качестве теплоэлектроизоляционного материала фторфлогопит (30 - 90мас.%). Недостатком этого решения является то, что применение теплоэлектроизоляционного материала с очень низкой теплопроводностью (0,1 - 0,3Вт/мК) - фторфлогопита, 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 (40Вт/(мК). 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 нагрева 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. Задачей, положенной в основу данного изобретения, является разработка состава шихты для изготовления нагревателей УВД 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 материла 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 материалов позволяет достичь более низкую теплопроводность материала нагревателя по сравнению с материаломпрототипом при их одинаковом электросопотивлении, 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 50мкм) - 20% (200г) и теплоэлектроизоляционный материал (порошок литографического камня с размером частиц от 315 до 400мкм, принятое условное обозначение порошка с такой зернистостью 400/315) - 80% (800г), т.е. соотношение размеров частиц тепло-электроизоляционного и электропроводного материалов было более 6,3. Перед прессованием порошка графита и литографического камня тщательно размешивали в "пьяной бочке", затем добавляли для повышения прочности 20% раствор гидроокиси калия в количестве 10мас.% и подсушивали шихту. После сушки шихты прессовали нагреватели (давление прессования 0,1 - 0,15ГПа) в виде дисков диаметром 30мм и высотой 2мм. После прессования нагреватели сушили при 120°C в течение 30 минут. Затем снаряжали реакционной смесью контейнеры, используемые для синтеза алмазов, но вместо серийных нагревателей устанавливали исследуемые нагреватели. Контейнер помещали в УВД и нагружали до требуемого усилия. Использовали стандартное прессовое оборудование - пресс Д0043. Аппарат высокого давления представлял собой две стальные блокматрицы 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 1000мкм. 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 раз 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-спекании 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.