[發明專利]一種利用金屬電爆炸效應合成金剛石晶體的裝置

有效

• 申請號: 201610186954.5
• 申請日: 2016-03-29
• 公開（公告）號: CN105749809B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 徐旭哲;李紅東;孫鷂鴻;成紹恒;嚴萍
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所;吉林大學
• 主分類號: B01J3/08
• 分類號: B01J3/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及人工合成金剛石晶體技術領域，具體涉及一種利用金屬電爆炸效應合成金剛石的裝置。

背景技術

目前在工業應用領域，人工合成金剛石的方法主要有高溫靜壓法和炸藥爆轟法。其中炸藥爆轟法在炸藥爆炸過程中產生高溫和強沖擊波，石墨在快速變化的高溫高壓物理條件下相變成金剛石微粒。但是，目前炸藥爆轟法存在炸藥存儲，炸藥施工過程中帶來的安全問題，使用上受到各種限制。同時炸藥爆炸屬于化學能轉化，炸藥能量的釋放過程無法得到人為的控制，無法在爆炸過程中對石墨合成金剛石過程進行人工干預。

中國專利CN87206258公開了一種爆炸合成金剛石的球形裝置，包括雷管、鋼球殼、球形炸藥包、反應材料等。中國專利CN2331413公開了一種爆炸合成金剛石微粉的裝置，由雷管、平面波發生器、主炸藥柱、飛片、石墨片、托板、水池構成。它們都是利用炸藥爆炸產生高壓氣體和爆震沖擊波形成高溫高壓使反應材料燒結成金剛石。它們除了有如前所述的缺點外，還有由于炸藥爆炸是一次性的、不可重復，當高壓持續時間不足以使碳原子產生強烈的擴散時，會造成轉化率嚴重降低或轉化失敗。

當筒狀金屬體流經大電流時，金屬體會產生的大量的焦耳熱使金屬融化汽化迅速變成高溫金屬蒸汽。筒狀金屬蒸汽快速膨脹，會在筒狀金屬體內側和外側輻射強大的沖擊波。金屬在大電流作用下發生類似炸藥爆炸的物理過程，利用這種金屬電爆炸效應產生的高溫高壓現象，可以進行人工合成金剛石微粒的過程。

發明內容

本發明的目的是克服現有炸藥爆炸技術無法精細控制爆炸能量，合成金剛石晶體顆粒太小的缺點，提出一種利用金屬電爆炸效應人工合成金剛石晶體的裝置。

本發明包括N路放電單元、用于控制放電單元放電時序的時序控制器、電爆炸室和包含有金屬層的石墨組件，N為大于1小于16的正整數。各路放電單元相互并聯；放電單元的正極與電爆炸室的上放電電極相連，負極與電爆炸室的下放電電極相連；石墨組件放置在上放電電極和下放電電極之間；時序控制器分別與每路放電單元中放電開關的控制端連接。每一路放電單元包括儲能電容、放電開關、限流電感和續流二極管；所述儲能電容的正端連接所述放電開關的正極，所述放電開關的負極和續流二極管的負極相連，續流二極管的正極連接到儲能電容的負端；所述限流電感的一端與放電開關的負極相連，另一端作為放電單元的正極；儲能電容的負端作為放電單元的負極。N路放電單元的結構相同。

所述放電單元儲能電容的正端經過放電開關、限流電感連接到電爆炸室的上放電電極，所述儲能電容的負端連接到電爆炸室的下放電電極；續流二極管的陰極連接在放電開關和限流電感之間，續流二極管的陽極連接到儲能電容的負端。

電爆炸室包括上鎖緊螺母、上絕緣蓋板、上放電電極絕緣支撐板、上鎖緊螺栓、絕緣支撐筒、下放電電極絕緣支撐板、下絕緣蓋板、下鎖緊螺母、上放電電極鎖緊螺母、上放電電極、上圓形絕緣墊片、上環形絕緣墊片、下環形絕緣墊片、下圓形絕緣墊片、下放電電極，以及下鎖緊螺母。絕緣支撐筒位于電爆炸室的中央，絕緣支撐筒的上端覆蓋有上放電電極絕緣支撐板，上放電電極絕緣支撐板的上表面覆蓋有上絕緣蓋板，上放電電極絕緣支撐板的中央插入上放電電極。絕緣支撐筒的下端是下放電電極絕緣支撐板，下放電電極絕緣支撐板的底面覆蓋有下絕緣蓋板，下放電電極絕緣支撐板中間插入下放電電極。位于絕緣支撐筒的上放電電極絕緣支撐板、上絕緣蓋板、下放電電極絕緣支撐板和下絕緣蓋板的4個通孔中插入4根鎖緊螺栓，通過上鎖緊螺母和下鎖緊螺母、上放電電極鎖緊螺母和下放電電極鎖緊螺母緊固。電爆炸室的上放電電極和下放電電極分別與放電單元的正輸出端和負輸出端連接。

上放電電極和下放電電極之間放置有石墨組件。石墨組件包括石墨筒、圓筒形金屬導體層和石墨棒。電爆炸室的上放電電極和下放電電極與的石墨組件金屬導體層相連。上放電電極與石墨筒之間放置有環形絕緣墊片，上放電電極和石墨棒之間放置有圓形絕緣墊片；下放電電極與石墨筒之間放置環形絕緣墊片，下放電電極和石墨棒之間放置圓形絕緣墊片。上放電電極、下放電電極和石墨組件安裝在絕緣支撐筒中，通過上絕緣支撐板、上絕緣蓋板、下絕緣支撐板、下絕緣蓋板和四根夾緊螺桿固定。

石墨筒與石墨棒可由純度99％以上的石墨材料制成，或由含有金屬觸媒顆粒的石墨材體制成。

本發明的工作過程如下：

首先，通過充電設備對N路放電單元的儲能電容進行充電，儲存電能，利用放電開關和限流電感對負載并聯放電，提高放電電流。

其次，通過時序控制器對每路開關進行時序控制，改變放電電流的疊加順序，控制放電電流的持續時間。