Пристрій для реструктуризації графіту на алмаз

Реферат: Винахід належить до пристроїв для створення надвисоких тисків і температур. В основу пристрою для реструктуризації графіту на алмаз покладено систему створення надвисокого тиску, що включає два ступені навантаження - квазістатичний і електрогідродинамічний, і механізм реструктуризації графітової заготовки, причому механізм реструктуризації включає нагрів графітової заготовки і його поміщено у глибокому вакуумі. Винахід може застосовуватися для одержання алмаза з графіту, а також для термопластичного перетворення високоміцних і термостійких заготовок у вироби різного призначення. Досягається підвищення технічної і економічної ефективності пристрою. UA 103713 C2 (12) UA 103713 C2 UA 103713 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пристроїв для створення надвисоких тисків і температур і може застосовуватися для одержання алмаза з графіту, а також для термопластичного перетворення високоміцних і термостійких заготовок у вироби різного призначення. Відомий пристрій для одержання високих і надвисоких тисків, що включає камеру для підриву рідкого струменя робочого середовища [1]. Недоліками пристрою, що використовує підрив рідкого струменя робочого середовища, є: - низька ефективність формування високоміцних матеріалів: - недостатня температура вибухового середовища; - наявність окисного середовища, оскільки вибух відбувається в повітряному середовищі, що викликає окислювання об'єкта, оброблюваного високим тиском. Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, що досягається, є "Вибропресс взрывной" [2]. Вібропрес вибуховий [2] включає електродетонатор, еластичну конічну мембрану, сопло, гідродинамічний клапан, гідроакумулятор, поршень, шток поршня, патрубки для підведення й відведення повітря, електроди. Працює пристрій [2] у такий спосіб. За допомогою електродетонатора, оснащеного електродами, здійснюється вибух дисперсного середовища вибухової речовини, суміші повітря з киснем у співвідношенні: 30 % кисню і 70 % повітря, низькооктанового бензину з діетиловим ефіром. Електротермічний вибух формує циліндричну ударну хвилю, впливу якої зазнає заготовка, що знаходиться між пуансоном і матрицею. Пуансон обтискує заготовку, що приймає форму матриці. Недоліками вібропреса вибухового [2] є: - відносно низька ефективність преса через великі втрати енергії (які викликані наявністю порожнин із газом і рідиною, зв'язаних проточними каналами) на шляху впливу сили на заготовку; - труднощі формування високоміцних матеріалів без високотемпературного нагрівання заготовки, зокрема створення штучних алмазів, тому що структурні перетворення графіту на 5 алмаз відбуваються при температурі 3000 °C і тиску 10 атм [3]. - наявність навколишнього повітря приводить до окислювання поверхні заготовки або її згорянню в процесі формування виробу. В основу винаходу поставлено задачу створення технічно й економічно ефективного пристрою для виробництва штучних алмазів шляхом структурного перетворення графіту на алмаз. Поставлену задачу вирішено таким чином, що в пристрої для реструктуризації графіту на алмаз, що включає систему створення надвисокого тиску й механізм реструктуризації графітової заготовки, новим є те, що система створення надвисокого тиску включає два ступені навантаження - квазістатичний і електрогідродинамічний, при цьому перший ступінь навантаження включає заповнену електропровідною робочою рідиною ємність, зв'язану з насосом високого тиску, напірні труби якого введені в ліву і праву камеру високого тиску, у яких розміщені плунжери з можливістю зустрічного руху для стиску графітової заготовки. Крім того, новими істотними ознаками пристрою для реструктуризації графіту на алмаз є: - другий ступінь навантаження має високовольтний трансформатор, накопичувач енергії (конденсатор) і пульт керування параметрами електрогідродинамічного навантаження, при цьому високовольтні вихідні струмопроводи пульта керування імпульсним силовим навантаженням зв'язані з електродами, розміщеними попарно в лівій і правій камерах високого тиску, заповнених електропровідною робочою рідиною; - другий ступінь навантаження включає також електротермічний нагрів графітової заготовки електричним струмом, що пронизує структуру графіту; для цього другий ступінь навантаження має встановлені на торцях графітової заготовки позитивний і негативний електроди, що виконують також роль силонавантажуючих елементів (штампів) для стиснення осьовим зусиллям графітової заготовки; - механізм реструктуризації графітової заготовки має високоміцний, наприклад сталевий, корпус циліндричної форми з термостійким електроізоляційним покриттям усередині, що обхоплює з боків графітову заготовку, до торців якої прикладено силонавантажуючі елементи (штампи, що є одночасно позитивним і негативним електродами), кінематично зв'язані з головками плунжерів, які входять до системи квазістатичного й електрогідродинамічного навантаження; - механізм реструктуризації графітової заготовки поміщено у порожнині глибокого вакууму, утвореній стінками й кришкою вакуумної камери, при цьому на кришці вакуумної камери встановлено систему глибокого вакуумування, що має вакуумний трубопровід, вакуумний затвор і вакуумний насос. 1 UA 103713 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Підвищення технічної й економічної ефективності пристрою полягає в наступному: - застосування двоступінчастого навантаження (квазістатичного й електрогідродинамічного) сприяє зниженню статичного тиску, необхідного за технологією [3], де використовується тільки 5 статичний тиск 10 атм. Досягнення такого тиску вимагає високих економічних і виробничих витрат; - наявність у пристрої другого ступеня навантаження, зв'язаного з електрогідравлічним ефектом Юткіна (високовольтний розряд у рідині) дозволяє відносно простим способом досягти імпульсного стиску графітової заготовки, що перевищує необхідний тиск для реструктуризації графіту; цьому сприяє зустрічний рух ударних хвиль від двох джерел гідроудару, що сходяться на графітовій заготовці; одночасне застосування двоступінчастого навантаження (квазістатичного й електрогідродинамічного) і електротермічного нагріву графітової заготовки електричним струмом, що пронизує структуру графіту, сприяє реструктуризації графіту на алмаз; - розміщення механізму реструктуризації графітової заготовки в порожнині глибокого вакууму виключає окисні процеси й згоряння об'єкта реструктуризації. Пристрій для реструктуризації графіту на алмаз зображено на кресленнях, де на Фіг. 1 показано загальний вигляд пристрою, на Фіг. 2 показано структурну схему високовольтного розрядного пристрою. У пристрій на Фіг. 1 входить вакуумна камера 1 із внутрішньою порожниною 2. Усередині порожнини 2 поміщено об'єкт реструктуризації - графітову заготовку 3. Графітову заготовку 3 встановлено в оболонці 4 (термостійке електроізоляційне покриття усередині корпуса 5), виконаній, наприклад, із кераміки. Міцність електроізоляційної оболонки 4 підвищено за допомогою, наприклад, сталевого високоміцного корпуса 5. У камерах високого тиску 6, 7 встановлено електроди 8, 9, 10, 11, а в торцевих частинах графітової заготовки 3 встановлено електроди 12, 13, що виконують також роль силонавантажуючих елементів стиску графітової заготовки. Електроди 8, 9, 10, 11, 12, 13 струмопроводами 14, 15 зв'язано з позитивною клемою (+) і негативною клемою (-) високовольтного розрядного пристрою 16, до якого входить високовольтний трансформатор 17 і накопичувач електричної енергії конденсатор 18. Робота високовольтного розрядного пристрою 16 регулюється пультом керування 19. Силонавантажуючі елементи - електроди 12, 13 через електроізоляційні прошарки 20, 21 відповідно притискаються плунжерами 22, 23. Плунжери ущільнені герметизаторами 24. Вільними кінцями плунжери введено в камери високого тиску 6, 7 гідроциліндрів 25, 26. Нагнітаючі трубопроводи 27, 28 насоса 29 високого тиску через трійник 30, вхідні вентилі 31, 32, штуцери 33, 34 зв'язано з камерами 6, 7 високого тиску. Рідина з цих камер виходить через штуцери 35, 36, трубопроводи 37, 38, вихідні вентилі 39, 40, трійник 41 і ємність 42. Внутрішня порожнина 2 вакуумної камери закрита кришкою 43. На кришці установлено вакуумний трубопровід 44, вакуумний затвор 45 І вакуумний насос 46. Високовольтні струмопроводи 14, 15 від розрядного пристрою 16 введено у вакуумну камеру через ізолятори 47, 48 до електродів 12, 13. Подібні ізолятори використовуються при введенні струмопроводів до електродів 8, 9, 10, 11. Працює пристрій для реструктуризації графіту на алмаз у такий спосіб. У зібраний пакет деталей 4, 5 уставляють графітову заготовку 3. Циліндричні виступи електродів 12, 13 уставляють у відповідні торцеві гнізда механізму реструктуризації графіту на алмаз. Приводять у робочий стан систему гідравлічного стиску графітової заготовки 3 насосом 29 високого тиску, систему глибокого вакуумування вакуумної камери 1 і високовольтний розрядний пристрій 16. Насосом 29 високого тиску прокачують гідросистему робочою рідиною. Наявність повітряних включень у гідросистемі не допускається. Після прокачування й видалення повітряних включень виключають насос 29 високого тиску, а потім закривають вхідні вентилі 31, 32 і вихідні вентилі 39, 40. При закритій кришці 43 і відкритому вакуумному затворі 45 включають вакуумний насос -5 46 для створення в порожнині 2 вакуумної камери 1 розрідження повітря до 10 мм ртутного стовпа. Одночасно з вакуумуванням порожнини 2 вакуумної камери 1 стискають робочу рідину в 3 5 камерах 6, 7 до 10 10 атм, включенням насоса 29 підвищують тиск у камерах 6, 7 при відкритих вентилях 31, 32 навантажуються плунжери 22, 23, що стискають графітову заготовку 3. По досягненні заданого стиску графітової заготовки 3 виключають насос 29 високого тиску і закривають вхідні вентилі 31, 32. При досягнутому стиску графітової заготовки 3 здійснюють високовольтний розряд запасеної електричної енергії конденсатора 18 через графітову заготовку 3. Оскільки графітова заготовка 3 проводить електричний струм, запасена енергія конденсатора 18 виділяється усередину по об'єму заготовки між електродами 12, 13. Одночасно з цим здійснюють розряд енергії конденсатора на електродах 8, 9, 10, 11. При цьому відбувається наступне: 2 UA 103713 C2 5 10 15 - унаслідок електрогідравлічного ефекту Юткіна у вибухових камерах виникає імпульс тиску, що збільшує вихідний (статичний) тиск у кілька разів, що дозволяє досягти необхідного для 5 реструктуризації графіту на алмаз тиску 10 атм при зустрічному русі плунжерів під дією гідроудару; - одночасно з вибухом високовольтна напруга розряджається через графітову заготовку (графіт є провідником), що розігріває заготовку до температури 3000 °C, необхідної для структурного перетворення графіту на алмаз. Нагрів через внутрішню структуру графіту переважніший нагріву від зовнішнього джерела тепла; - горіння графіту не відбувається, тому що процес відбувається у вакуумі; - циклічний стиск і одночасний нагрів графітової заготовки припиняється автоматично, тому що структурне перетворення графіту на алмаз супроводжується зниженням його електропровідності аж до перетворення його на ізолятор. Джерела інформації: 1. Глушко В.П. Путь в ракетной технике. -Μ.: Машиностроение, 1977, с. 48. 2. Апуховский А.И. и др. Вибропресс взрывной, патент RU 2149727 СІ, МКИ: 7 В 21 D 22/10,26/02,26/08. В 01 J 3/06, В 30 В 9/22, опубл. 27.05.2000. Бюл. № 15. 3. Глинка Н.Л. Общая химия. - Л.: Химия, 1977, с. 433-434. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 1. Пристрій для реструктуризації графіту на алмаз, що включає систему створення надвисокого тиску й механізм реструктуризації графітової заготовки, який відрізняється тим, що система створення надвисокого тиску включає два ступені навантаження - квазістатичний і електрогідродинамічний, при цьому перший, квазістатичний, ступінь навантаження включає заповнені електропровідною робочою рідиною ємності - камери високого тиску, зв'язані з насосом високого тиску, напірні труби якого введені в ліву і праву камери високого тиску, у яких розміщені плунжери з можливістю зустрічного руху для стиску графітової заготовки. 2. Пристрій для реструктуризації графіту на алмаз за п. 1, який відрізняється тим, що другий, електрогідродинамічний, ступінь навантаження має високовольтний трансформатор, накопичувач енергії (конденсатор) і пульт керування параметрами електрогідродинамічного навантаження, при цьому високовольтні вихідні струмопроводи пульта керування імпульсним силовим навантаженням зв'язані з електродами, розміщеними попарно в лівій і правій камерах високого тиску, заповнених електропровідною робочою рідиною. 3. Пристрій для реструктуризації графіту на алмаз за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що другий ступінь навантаження включає також електротермічний нагрів графітової заготовки електричним струмом, що пронизує структуру графіту; для цього другий ступінь навантаження має встановлені на торцях графітової заготовки позитивний і негативний електроди, що виконують також роль силонавантажуючих елементів (штампів) для стиснення осьовим зусиллям графітової заготовки. 4. Пристрій для реструктуризації графіту на алмаз за одним з пп. 1-3, який відрізняється тим, що механізм реструктуризації графітової заготовки має високоміцний, зокрема сталевий, корпус циліндричної форми з термостійким електроізоляційним покриттям усередині, що обхоплює з боків графітову заготовку, до торців якої прикладено силонавантажуючі елементи (штампи, що є одночасно позитивним і негативним електродами), кінематично зв'язані з головками плунжерів, які входять до системи квазістатичного й електрогідродинамічного навантаження. 5. Пристрій для реструктуризації графіту на алмаз за одним з пп. 1-4, який відрізняється тим, що механізм реструктуризації графітової заготовки поміщено у порожнині глибокого вакууму, утвореній стінками й кришкою вакуумної камери, при цьому на кришці вакуумної камери встановлено систему глибокого вакуумування, що має вакуумний трубопровід, вакуумний затвор і вакуумний насос. 3 UA 103713 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4