CN104107668A - 用于高压制造的复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高压制造的复合材料。供在高压高温技术中使用的复合立方体可以提供改进的刚性、稳定性、在制造期间的加热、流动、压力传递和绝热的一致性。复合立方体可以包括内芯和外壳体。内芯可以包括围绕复合立方体的内部孔区的至少一个环和至少一个内盖。内芯可以由结合剂和不可流动的材料形成。外壳体可以由可流动的材料和结合剂形成。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料，例如复合容器。更具体地，本发明涉及用于高压和/或高温制造的复合材料。
背景技术
用于金刚石晶体以及多晶金刚石压制品的生产的高压和/或高温技术涉及极端压力和极端温度的施加。例如，在高压和/或高温技术中，压力可以超出70千巴并且温度可以超出1500℃。高压机能够施加足以保持在金刚石的合成温度下的热力学稳定的条件的压力。高压机可以提供六个砧座，六个砧座被定位在相对于毗邻的砧座的90度角度处并且当压机被操作时集中于容器例如立方体上。立方体材料在该条件下挤出并且最终在毗邻的砧座边缘部分之间形成密封件。立方体可以通过电装置来加热以实现用于制造多晶产品所期望的温度。
用于制造多晶产品的容器可以是由天然的叶蜡石石头生产的密封垫圈，天然的叶蜡石石头是在变质岩中发现的天然形式的水合硅酸铝。叶蜡石可以在压力下变形或流动，以提供压力密封并且可以把压力从砧座传递至被密封垫圈容纳的材料。叶蜡石还显示良好的绝热特征，该特征帮助减少在烧结期间从立方体传递至砧座的热的量。
天然存在的叶蜡石以团块或粉末的形式向高压工艺中引入变化和不一致，这是因为在变质岩形成过程中发生的化学组成和渗碳过程的宽的变化。在天然的叶蜡石中水分含量和化学组成变化在宽范围内发生，这影响高压设备的操作以及使用这种材料制造的产品。
此外，在压力的施加期间，垫圈的内部以不同于垫圈的外主体的速率变形。垫圈的孔支撑通过使电流经过其而被加热的加热装置(例如石墨或柔性石墨加热组件)。当立方体的内部孔变形时，加热元件也变形，导致从立方体的顶部至内部的电阻的变化。这种变形不是始终恒定的并且因此加热在操作之间不同。
包含不显示组成变化或不一致的材料的复合密封容器可以用于高压制造。复合密封容器的内部可以提供最小的变形和一致的加热。容器可以由常规的和容易地可得到的材料形成并且使用传统的生产技术来生产。
发明内容
在一个实施方案中，复合立方体可以包括内芯和外壳体。内芯可以包括完全地或部分地围绕复合立方体的内部孔区的至少一个环和至少一个内盖。内芯可以由结合剂和不可流动的材料形成。外壳体可以包括围绕内芯的至少一个外立方体和至少一个外盖。外壳体可以由可流动的材料和结合剂形成。
在某些实施方案中，内芯可以包含内芯材料和结合剂。在某些实施方案中，内芯可以包含白云石、石榴石、包括硅酸铝或硅酸钙的材料、或其组合。在某些实施方案中，内芯材料构成内芯的按体积计80％或更大。在某些实施方案中，内芯材料具有等于或大于120美国标准目数(U.S.mesh)并且等于或小于325美国标准目数的平均粒度。
前述内容已经非常宽泛地概括了本公开内容的各种特征，以便下文的详细描述可以被更好地理解。将在下文描述本公开内容的另外的特征和优点。
附图说明
为了更完全理解本公开内容和其优点，现在参照与描述本公开内容的具体的实施方案的附图结合得到的以下描述，在附图中：
图1是六面顶砧座(cubic press anvil)和复合密封容器的说明性实施方案；以及
图2是具有内芯和外壳体的复合立方体配置的说明性实施方案。
具体实施方式
现在参照附图，其中所描绘的元件不一定是按比例示出的，并且其中相同的或同样的元件在所有多个视图中由相同的参考数字指定。
参照附图，大体上将理解，图示是为了描述本公开内容的特定的实施的目的并且不意图是对其限制。虽然本文使用的大部分术语将是本领域的普通技术人员可认识的，但是应当理解，当不被明确地定义时，术语应当被解释为采用由本领域的普通技术人员目前接受的意思。
将理解，以上的一般描述和以下的详细描述二者都仅是示例性的和解释性的，并且不限制如要求保护的本发明。在本申请中，除非另外明确说明，否则单数的使用包括复数，词语“一(a)”或“一(an)”意指“至少一种”，并且“或”的使用意指“和/或”。此外，术语“包括(including)”以及其他形式例如“包括(includes)”和“包括(included)”的使用不是限制性的。并且，除非另外明确说明，否则诸如“元件”或“部件”的术语包括包含一个单元的元件或部件以及包含多于一个单元的元件或部件。
用于高压制造的复合材料可以包括提供外壳体和内芯的容器。在某些实施方案中，外壳体和内芯可以由不同的材料制造。内芯可以完全地或部分地围绕容器的内部孔。内部孔界定用于生产金刚石晶体和多晶金刚石压制品的材料被放置的区。内芯优选地由不可流动的硬材料制造，例如白云石、硬矿物粉末、或其组合。外壳体包含围绕内芯以形成可以在高压制造中利用的复合容器的可流动的材料。在某些实施方案中，外壳体主要包含具有足以在高压的施加期间流动的润滑性的粘土矿物粉末，例如滑石。外壳体还可以包含较小比例的具有比粘土矿物粉末足够大的硬度以在压制期间延迟粘土矿物的流动并且形成密封件的至少一种硬材料，例如锆石或其他硬矿物粉末。在优选的实施方案中，用于高压制造的复合容器可以以立方体的形状。然而，在其他的实施方案中，复合容器可以是多面体、六面体、圆柱体或类似物。
图1是六面顶砧座10和复合密封容器20的说明性实施方案。六面顶可以提供以三个相对定向的精确匹配对准的对的六个砧座10。每个砧座10具有正方形面和倾斜的肩部部分。其中的至少两个与压机的主体电绝缘并且与彼此电绝缘的砧座10附接于容纳在气缸中的活塞。砧座10被对准以用于沿着三个互相垂直的坐标轴线性运动。砧座10的运动可以与共用的液压系统同步，共用的液压系统通过使用电磁阀使油以相等的压力流至所有六个气缸。所有六个气缸可以通过铰链和销的布置来紧固在一起。六个砧座10的推力同时使砧座朝向压机的对称中心围绕复合立方形单元20运动。
图2是具有内芯和外壳体的复合立方体20配置的说明性实施方案。复合立方体20被配置为具有在面积上比毗邻的砧座面大的六个正方形面。砧座逆着立方体面的前进把材料从复合立方体在砧座的倾斜的肩部部分之间挤出和压缩，由此形成密封件。来自砧座的压力被传递至容纳在复合立方体的内部孔中的负载物(load)(未示出)。负载物可以被设计用于生产金刚石晶体或多晶压制品。例如，在所示的实施方案中，内部孔是被复合立方体20围绕的圆柱形区域，负载物将被放置在其处以形成圆柱形金刚石晶体或多晶压制品。在预定的压力已经通过砧座传递至复合立方体之后，电流通过通路内的加热元件导向至负载物。通过加热元件产生的热通过热传导或辐射传递至布置在复合立方体内的负载物。在预定的量的时间之后，负载物的温度和传递至负载物的压力减小。
复合立方体20包括内芯和外壳体。内芯比外壳体硬，以防止或最小化在压机的操作期间的变形。复合立方体20围绕容纳用来形成金刚石晶体或多晶压制品的负载物的内部孔区。内部孔区被图示为被外立方体30、内环40、内盖50和外盖60围绕的圆柱形区。然而，在其他的实施方案中，内部孔区可以是对于金刚石晶体或多晶压制品来说可以是期望的任何形状。负载物为了清晰性的目的未示出。内芯可以完全地或部分地围绕内部孔区以界定待被形成的压制品的形状。内部孔的一部分可以提供加热元件70。内芯由硬的不可流动的材料形成以防止或最小化在高压制造期间的变形。如本文讨论的不可流动的材料是指当经历极端压力(例如70千巴或更大)或极端温度(1500℃或更大)时防止或最小化变形的材料。此外，不可流动的材料可以具有有益的绝热性质，可以是刚性的以保持其形状，并且在高压高温制造期间遇到的高温条件下是稳定的。通过利用由不可流动的材料形成的内芯，复合立方体20保留热并且最小化在高压和高温下的变形，高压和高温可以导致改变抵抗力的变形，这可以导致立方体的不一致的加热。
在某些实施方案中，内芯可以包括内环40和盖50。内环40和盖50可以由硬的不可流动的材料形成，例如白云石、石榴石、包括硅酸铝或硅酸钙的材料、其他硬矿物粉末、或其组合。例如，内环40和盖50可以通过压制与结合剂混合的白云石矿物的粉末来制造。在某些实施方案中，内芯可以是约2-5mm厚。在某些实施方案中，用于内芯的硬的不可流动的材料可以具有在约120-325美国标准目数的范围内的平均粒度。在某些实施方案中，用于内芯的硬的不可流动的材料可以具有在约200-325美国标准目数的范围内的平均粒度。在某些实施方案中，硬的不可流动的材料可以构成内芯的按体积计约80％或更大。在说明性实施方案中，内芯可以是白云石，白云石具有良好的绝热性质并且具有抵抗或最小化由在高压高温操作期间的一致的加热引起的变形的能力。
用于内芯的结合剂可以是允许硬材料粉末结合在一起以形成均匀整体的固体或液体。结合剂的非限制性的实例可以包括硅酸钠、丙烯酸类聚合物、波特兰水泥或类似物。结合剂可以是无机的或有机的，但是应当是所选择的在高压高温工艺期间不产生气体的材料。在某些实施方案中，无机的结合剂是优选的，因为它们在高温下不产生气体。
外壳体围绕内芯并且可以包括外立方体30和外盖60。外立方体30和外盖60可以通过将粘土矿物、硬材料粉末和结合剂以期望的比例充分地混合在一起而形成。外立方体30、内环40、内盖50和外盖60然后被共形成以产生复合立方体20。外立方体30应当由可流动的材料制造，可流动的材料将允许其在高压制造期间变形或流动，使得当材料被砧座10挤出和压缩时形成密封件。如本文讨论的可流动的材料是指当经历极端压力(例如70千巴或更大)或极端温度(1500℃或更大)时变形或流动的材料。复合立方体20可以在足够的温度加热足够的时间以除去非结晶水。然后，所得到的复合立方体20可以被负载物填充并且被放置在高压机中以形成金刚石晶体或多晶压制品。
合适的用于外壳体的粘土矿物粉末可以选自容易地可得到的粘土家族，例如镁黄长石(Ca2Mg2Si2O2)、羟硅铍石(Be2Al2Si6O16)、高岭石(Al45i6)10(OH)8、叶蜡石(Al4Si4O10)(OH)2、高氧化铝滑石、低氧化铝滑石、任何其他的合适的粘土、或其组合。在某些实施方案中，粘土矿物粉末可以具有在约10至200微米的范围内的平均粒度。在其他的实施方案中，任何合适的平均粒度可以被利用。在某些实施方案中，粘土材料可以构成外壳体的按重量计约60％或更大。
另外地，外壳体包含具有比粘土矿物足够地更大的硬度以约束或延迟粘土矿物在压制期间的流动的硬材料。在某些实施方案中，用于外壳体的硬材料具有比粘土矿物硬2倍或更多倍的硬度。在某些实施方案中，用于外壳体的硬材料具有比粘土矿物硬2-4倍的硬度。当其在高压下流动时，硬材料的颗粒可以增加外壳体的内部摩擦。合适的硬材料粉末包括但不限于方解石、硅灰石(CaSiO3)、硅石(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铁、锆石(ZrSiO4)、石榴石(例如CaxAlySi3O12)和类似物。期望的是，硬材料粉末具有约120至325美国标准目数尺寸的平均粒度。在某些实施方案中，硬材料粉末具有约200至325美国标准目数尺寸的平均粒度。在其他的实施方案中，任何合适的平均粒度可以被利用。在优选的实施方案中，用于外壳体的硬材料粉末是方解石或硅灰石。在某些实施方案中，外壳体或垫圈材料可以含有约5至30重量百分数的硬材料粉末。
用于外壳体的结合剂可以是允许粘土矿物和硬材料粉末结合在一起以与内芯形成均匀整体的固体或液体。结合剂的非限制性的实例可以包括硅酸钠、丙烯酸类聚合物、波特兰水泥或类似物。结合剂可以是无机的或有机的，但是应当是所选择的在高压高温工艺期间不产生气体的材料。在某些实施方案中，无机的结合剂是优选的，因为它们在高温不产生气体。外壳体材料可以包括在约5至30重量百分数的范围内的结合剂。例如，外壳体材料可以含有约5至12重量百分数的硅酸钠水溶液。硅酸钠可以是优选的，因为其更好的结合性质形成粘土矿物和硬材料粉末的更均匀的混合物。
当与由天然的叶蜡石制造的立方体相比时，所制备的复合立方体由于改进的组成一致性和低的水分含量而显示一致的和改进的流动、一致的和改进的压力传递、改进的绝热特征和改进的在高温下的稳定性。另外，因为内芯防止或最小化在高压和/或高温的施加期间的变形，所以复合容器提供在高压高温操作期间的更一致的加热。
包括本文描述的实施方案以说明本公开内容的特定的方面。本领域的技术人员应理解，本文描述的实施方案仅代表本公开内容的示例性的实施方案。本领域的普通技术人员根据本公开内容应理解，可以在所描述的具体的实施方案中作出许多改变并且仍然获得相同的或同样的结果，而不偏离本公开内容的精神和范围。从以上描述，本领域的普通技术人员可以容易地确定本公开内容的本质特征，并且，在不偏离其精神和范围的情况下，可以作出各种改变和修改以使本公开内容适应各种用途和条件。在上文所描述的实施方案意图仅是说明性的并且不应当被视为限制本公开内容的范围。
Claims (12)
1.一种用于在高压机中高压制造的复合容器，所述复合容器包括：
内芯，其界定内部孔区的形状，其中所述内芯包括防止或最小化在极端压力或极端温度下的变形的不可流动的材料；以及
外壳体，其围绕所述内芯，其中所述外壳体的刚性比所述内芯的刚性小，并且所述外壳体是可流动的材料。
2.根据权利要求1所述的复合容器，其中所述内芯包括至少一个环和至少一个内盖。
3.根据权利要求1所述的复合容器，其中所述外壳体包括至少一个外立方体和至少一个外盖。
4.根据权利要求1所述的复合容器，其中所述内芯的所述不可流动的材料包括选自白云石、石榴石、包括硅酸铝或硅酸钙的材料、或其组合的内芯材料。
5.根据权利要求4所述的复合容器，其中所述内芯材料构成所述内芯的按体积计80％或更大。
6.根据权利要求4所述的复合容器，其中所述内芯材料具有等于或大于120美国标准目数并且等于或小于325美国标准目数的平均粒度。
7.根据权利要求1所述的复合容器，其中所述内芯完全地或部分地围绕内部孔区。
8.根据权利要求1所述的复合容器，其中所述外壳体的所述可流动的材料包括粘土矿物、外芯材料和结合剂。
9.根据权利要求8所述的复合容器，其中所述粘土矿物构成所述外壳体的按重量计60％或更大。
10.根据权利要求8所述的复合容器，其中所述外芯材料构成所述外壳体的按重量计5-30％。
11.根据权利要求8所述的复合容器，其中所述粘土矿物和所述外芯材料具有等于或大于120美国标准目数并且等于或小于325美国标准目数的平均粒度。
12.根据权利要求8所述的复合容器，其中所述外芯材料比所述粘土矿物硬2倍或更多倍。
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