Шихта для виготовлення нагрівача комірки високого тиску

Шихта для виготовлення нагрівача комірки високого тиску, що містить порошки графіту - 525мас.%, і принаймні одного оксиду з ряду перехідних металів IV-V гр уп - 75-95мас.%, яка відрізняється тим, що порошки графіту і оксиду(ів) з ряду перехідних металів IV-V гр уп мають розміри частинок 10-40мкм, при цьому середній розмір частинок графіту в 2-4 рази менше, ніж середній розмір порошку(ів) оксиду з ряду перехідних металів IV-V груп. (19) (21) a200512707 (22) 28.12.2005 (24) 15.01.2007 (46) 15.01.2007, Бюл. №1, 2007р. (72) Лисаковський Валентин Володимирович, Івахненко Сергій Олексійович, Білоусов Ігор Святославович, Марков Андрій Іванович (73) ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИ Х МАТЕРІАЛІВ ІМ. В.М. БАКУЛЯ НАЦІОН АЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ Н АУК УКРАЇНИ, Лисаковський Валентин Володимирович, Івахненко Сергій Олексійович, Білоусов Ігор Святославович, Марков Андрій Іванович (56) SU 547047 A1, 15.02.1977 3 77918 1000°С, та недостатньо висока термостійкість оскільки при температурі 1800°С літографський камінь починає плавитись. Найбільш близькою за технічною суттю до пропонованої є шихта для виго товлення нагрівача комірки високого тиску [див. патент UA №20040604528, МПК7 B01J3/06, опубл. 07.01.2005, Бюл.№1], що використовується при синтезі надтвердих матеріалів і призначена для створення стабільного температурного градієнту і забезпечення необхідних дифузійних процесів в реакційному просторі, комірки високого тиску, яка містить порошки (5-25)ваг.% графіту і (75-95)ваг.%, принаймні одного оксиду з ряду перехідних металів IV-V гр уп, при цьому використовували нанопорошки графіту з розмірами частинок 50-80нм і оксиду(ів) з ряду перехідних металів IV-V груп з розмірами частинок 50-80мкм. Головним недоліком шихти за прототипом є те, що використання порошків такого розміру не забезпечує необхідний розподіл компонентів шихти по об'єму, що призводить до нерівномірного розподілення температурних полів в реакційному просторі комірки високого тиску. Завдяки тому, що розміри частинок графіту надзвичайно малі (5080нм) вони мають велику площу поверхні і, відповідно, велику поверхневу енергію, що призводить до збільшення часу стабілізації електричних показників при пропусканні через шихту електричного струму, за рахунок протікання процесів поверхневої дифузії при високих тисках і температурі. Також недоліком описаної шихти є те, що в якості електропровідного матеріалу використовували терморозширений графіт, для виготовлення якого необхідно застосовувати достатньо складні технологічні операції. В основу винаходу покладено завдання такого удосконалення шихти для виготовлення нагрівача комірки високого тиску, при якому за рахунок пропонованого вибору розмірів частинок порошків забезпечується рівномірний розподіл температури в реакційному просторі та буде забезпечуватись висока стабілізація електричних показників при пропусканні через шиту електричного струму при одночасному поліпшенні технології їх виготовлення. Означене завдання вирішується завдяки тому, що у шихті для виготовлення нагрівача комірки високого тиску, що містить порошки (5-25)ваг.% графіту і (75-95)ваг.%, принаймні одного оксиду з ряду перехідних металів IV-V груп, згідно винаходу порошки графіту і оксиду(ів) з ряду перехідних металів IV-V груп мають розміри частинок (1040)мкм, при цьому середній розмір частинок графіту в 2-4 разів менше, ніж середній розмір порошку(ів) оксиду з ряду перехідних металів IV-V гр уп. Було встановлено, що використання шихти такого складу дозволяє надати матеріалу нагрівача необхідне поєднання досить низької теплопровідності та відносно високого електричного опору. Завдяки цьому при використанні шихти відповідного складу є можливість реалізувати у необхідних межах електричний опір композиту. При використанні шихти з розмірами частинок 10-40мкм досягається висока однорідність суміші і, як наслідок, 4 забезпечується рівномірний розподіл температури в реакційному просторі та висока стабілізація електричних показників при пропусканні через шиту електричного струму при високих тисках і температурах. Завдяки пропонованому співвідношенню розмірів частинок графіту і оксиду перехідного металу IV-V груп з'являється можливість рівномірно розподілити компоненти шихти по об'єму при змішувані і формуванні виробів, що дозволяє уникнути, під час роботи при високих тисках і температурах, нерівномірного розподілу температурних полів в комірці високого тиску. Одночасно досягається зменшення часу стабілізації електричних показників при пропусканні через шихту електричного струму (див. Таблицю, додається). Граничні значення вмісту компонентів ши хти були визначені експериментальне. При вмісті порошку оксиду менш, ніж 75ваг.% за рахунок низьких значень електропровідності нагрівачів прогрів реакційного простору нерівномірний, в результаті чого градієнти температури досягають величин 15 і більше град/мм, що негативно впливає на характеристики отриманих надтвердих матеріалів. При вмісті оксиду більш, ніж 95ваг.% неможливо рівномірно розподілити графіт у композиті, в результаті чого електропровідність нагрівачів, виготовлених з однієї і тієї ж шихти, може відрізнятись на 7-9%, що обумовлює їх нестабільність у роботі. Приклади конкретної реалізації пропонованої шихти для виготовлення нагрівача комірки високого тиску: Приклад 1. Була ви готовлена ши хта наступного складу: графіт (марки ГСМ-1) 10ваг.% і оксид з ряду перехідних металів IV-V гр упи (стабілізований СаОΖrΟ2) з розміром частинок 10-30мкм-90ваг.%. Суміш, відповідного складу, протягом 2 годин змішували в змішувачі типу «п'яна діжка». Після змішування нагрівачі пресували (тиск пресування 0,10,15ГПа) у вигляді дисків діаметром 17,5мм і висотою 3 мм. Міцність пресованих дисків була достатня для того, щоб їх можна було використовувати для спорядження комірки - ні в одному з випадків не руйнувались при розміщенні їх в реакцій зоні та при запресовуванні. Споряджений контейнер з нагрівачами з запропонованої шихти використовували для синтезу монокристалів алмазу на затравці, контейнер в апарату високого тиску навантажували до необхідного зусилля за допомогою пресу ДO044, через резистивну систему пропускали електричний струм і фіксували електричні параметри. Результати дослідів із заявленою шихтою показали стабілізацію всіх електричних параметрів на протязі 0,5-1,0 годин та збереження стабільності електричних параметрів нагрівачів при витримках до 150 годин і більше. Було виготовлено пропоновану ши хту при граничних значеннях пропонованих розмірів і співвідношень (приклади 2-3) і за їх межами, (приклад 45), а також при тих самих умовах за прототипом (приклад 6). Як показали результати експериментів, поставлене завдання досягається в межах заявленого складу компонентів шихти і найвищі показники 5 77918 досягаються при пропонованому співвідношенні розмірів частинок компонентів шихти (приклад 13). Заявлені співвідношення розмірів частинок дозволяє рівномірно розподілити компоненти шихти по об'єму при змішувані і формуванні виробів, що дозволяє уникнути, під час роботи при високих тисках і температурах, нерівномірного розподілу температурних полів в комірці високого тиску. Одночасно досягається зменшення часу стабілізації електричних показників при пропусканні через шихту електричного струму. Завдяки використанню шихти пропонованого складу з'являється можли 6 вість більш точно визначати температури та їх розподіл в реакційному просторі. Розроблена шихта для виготовлення нагрівачів комірки високого тиску може використовуватись для синтезу монокристалів алмазу і кубічного нитриду бору, при проведенні термоборичної обробки природних алмазів, при створенні полікристалічних і композиційних матеріалів, які потребують високих тисків і температур, при розробці градієнтних методів нагріву та виготовлення градієнтних матеріалів. Додаток Таблиця При- Середній розмір части- Співвідно- Час стабілізанок, мкм клад, шення ком- ції електричп/п поне нтів них параметГрафіт Оксид рів, год Об'єкт випробування 1 Шихта за прототипом 30 3 0,5-1 2 3 10 40 40 10 4 4 1-1,5 1 –1,5 4 3 30 10 2-3 5 Пропонована шихта 10 10 60 6 1-2 6 50нм 50мкм 1000 2-3 Комп’ютерна в ерстка В. Сердюк Підписне Примітки Високі показники стабілізації електричних параметрів, рівномірний розподіл компонентів ши хти Те ж саме Те ж саме Порівняно низькі показники стабілізації електричних параметрів. Можливий нерівномірний розподіл компонентів шихти Теж саме Ускладнене формування виробів з шихти, яка має дані співвідношення розмірів частинок. Порівняно низькі показники стабілізації електричних параметрів. Можливий нерівномірний розподіл компонентів шихти Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601