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保定金剛石合成中的另一個傳壓介質(zhì)——白云石有什么特性?

發(fā)表時間:2024-02-14 訪問量:43750

在高溫高壓法合成金剛石工藝中,密封傳壓介質(zhì)在人造金剛石的合成中起著非常重要的作用,合成金剛石所需要的高溫高壓的條件是靠密封傳壓介質(zhì)來獲得的。我國對密封傳壓介質(zhì)的應(yīng)用,由最初的葉蠟石切割塊,到后來的葉蠟石粉壓塊,到目前在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的葉蠟石-保定白云石復(fù)合塊,這些都體現(xiàn)了我國密封傳壓介質(zhì)的進(jìn)步和發(fā)展。

葉臘石的局限性

傳壓介質(zhì)在高溫高壓下具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性能是確保合成穩(wěn)定的重要因素之一,眾所周知,目前合成金剛石密封傳壓介質(zhì)所用的材料主要為葉蠟石,但是葉蠟石作為高溫高壓合成金剛石的傳壓介質(zhì)存在著兩大主要缺陷:

其一,高溫下發(fā)生相變,體積收縮;

其二,高溫下會脫出結(jié)晶水。

葉蠟石在高溫下相變會生成藍(lán)晶石,藍(lán)晶石不僅堅(jiān)硬致密,而且具有較大的導(dǎo)熱系數(shù),導(dǎo)致合成腔體內(nèi)的溫度降低,同時由于體積收縮,導(dǎo)致合成腔體內(nèi)壓力下降;葉蠟石在高溫下脫出的結(jié)晶水會進(jìn)入高壓合成腔,對金剛石的生長極為不利,有可能在高電流的作用下電解成H2、 O2等氣體,引起合成腔體內(nèi)部剪切力的破壞,而導(dǎo)致“放炮”事故的發(fā)生。于是,又出現(xiàn)了一種合成金剛石用的新型傳壓介質(zhì)——保定白云石。

白云石的輔助功能

1、白云石內(nèi)襯材料的三種組成材料:

(1)白云巖,所占比例約70%--75%,還含有少量石英和方解石,但石英和方解石含量小于2%,基本為純白云巖。巖石破碎成粒徑小于1mm的顆粒。

(2)葉蠟石,配比約占20%,由葉蠟石礦石破碎成粒徑小于0. 5mm的顆粒。

(3)鐵質(zhì)化合物材料,所占比例約5%,破碎粒徑小于0.1mm。

上述三種材料混合均勻,加入粘結(jié)劑水玻璃,在制造傳壓密封材料時制成圓柱形襯管。白云石內(nèi)襯材料化學(xué)成分為SiO2: 16. 44%,Al2O3:4.99% ,TiO2:0. 159% ,CaO:26.98% ,MgO:14.47%,Na2O:2.88%,K2O:0.72%,F(xiàn)e2O3:2.21%,燒失量為34.62%。

白云石不含結(jié)晶水,且在高溫高壓下非常穩(wěn)定,沒有相變,分析表明,用于金剛石合成之后的樣品仍保持原來的物相,沒有碳酸鹽類物質(zhì)的分解。此外,白云石的熱傳導(dǎo)率低于葉蠟石,因此,作為隔熱材料,白云石也將優(yōu)于葉蠟石。采用白云石做傳壓介質(zhì),主要是利用它的高熱膨脹率的特點(diǎn)。但是,由于白云石的內(nèi)摩擦系數(shù)小,不宜用做密封材料,因此在六面頂壓機(jī)上使用白云石做傳壓介質(zhì)時,一般將其做成套管而裝在葉蠟石塊內(nèi),組成復(fù)合的密封傳壓介質(zhì)。

3、白云石用于金剛石合成的內(nèi)襯材料

白云石具有優(yōu)良的絕緣絕熱性能和高熔點(diǎn),在高溫高壓下白云石基本穩(wěn)定,用于傳壓密封介質(zhì)材料可以起到以下有利作用:

(1)葉蠟石在高溫下產(chǎn)生相變時體積收縮,導(dǎo)致高壓腔內(nèi)壓力有較大損失和產(chǎn)生較大的壓力梯度。而葉蠟石塊中加白云石內(nèi)襯不僅可使葉蠟石相變層變薄,乃至清除。由于它在高溫高壓下物相穩(wěn)定,無體積收縮,且熱膨脹系數(shù)為葉蠟石的三倍,在高溫下體積處于膨脹狀態(tài),彌補(bǔ)了由于葉蠟石相變體積收縮而造成的合成腔內(nèi)部壓力的損失。

(2)由于白云石傳熱系數(shù)較小,因此白云石內(nèi)襯材料在金剛石合成中可以起到保溫絕熱作用,可以阻止外層葉蠟石的相變脫水,降低了合成壓力,減少了合成腔中的壓力梯度,改善了合成腔內(nèi)部的壓力分布,降低合成所需要的電流,從而降低了能耗。

(3)白云石將脫出的水分以及葉蠟石中的SiO2等雜質(zhì)成分隔離在高壓合成腔之外,減少雜質(zhì)進(jìn)入高壓腔內(nèi)的可能性,起到凈化合成腔的作用,致使合成的金剛石色澤好,透明度高; 提高了金剛石的品質(zhì)。

(4)由于白云石具有較小的內(nèi)摩擦系數(shù),因此密封性較弱,只能做成內(nèi)襯加在葉蠟石塊的內(nèi)壁上,這種復(fù)合結(jié)構(gòu)綜合了葉蠟石和白云石的優(yōu)點(diǎn),降低了合成金剛石對葉蠟石的要求,擴(kuò)大了葉蠟石的選擇范圍。有可能使用不含葉蠟石的礦物原料制作新型傳壓密封材料的外層。如伊利石粘土、高嶺石粘土以及混合粘土等,因這些粘土礦物含結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水較多,脫水后會造成較大的體積收縮以及水會對金剛石生長造成危害,過去認(rèn)為是不適合制造合成金剛石的傳壓密封材料,但是有了白云石內(nèi)襯材料,這些粘土礦物制造合成金剛石的傳壓密封材料就變得可以實(shí)現(xiàn)。這樣一來,大大擴(kuò)大了傳壓密封材料選擇的范圍,可以徹底解決葉蠟石礦石的短缺,對金剛石行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

(5)在傳壓密封材料制品中由于白云石及添加的鐵質(zhì)化合物具有較高的內(nèi)摩擦系數(shù),密封性能得到提高。復(fù)合材料的應(yīng)用使合成金剛石傳壓密封材料的整體工藝性能得到提高和優(yōu)化,使合成過程變得更穩(wěn)定,更易于控制,減少了頂錘消耗,提高了生產(chǎn)效率。

(6)有利于金剛石后期的提純處理,由于除去葉蠟石需要用到火堿,且消耗量大、耗時長。而葉蠟石-白云石復(fù)合結(jié)構(gòu)所含的葉蠟石料較少,白云石是碳酸鹽,在加酸除石墨階段就可以去除,故減少了火堿的使用量,減少了提純回收的工作量,其耗堿量只需單一葉蠟石塊合成金剛石的1/4。從而也降低了對環(huán)境的污染。

(7)高溫高壓過程中,白云石微量分解,對合成金剛石可能更為有利。反應(yīng)式可用下式表示:CaMg(C03)2+ Fe2O3+ 4SiO2→2( Mg,Fe,Ca)2Si2O6+ 2CO2

由于反應(yīng)是在高壓下進(jìn)行,釋放的CO2不能排出,反應(yīng)不能進(jìn)行完全,只有微量的白云石發(fā)生分解,形成很少量的輝石,釋放的少量CO2封存在高壓腔中,使高壓腔充滿CO2氣體。CO2的存在一方面有可能使高壓腔壁面受力均勻,避免剪切破壞——“放炮”現(xiàn)象的發(fā)生,可以降低頂錘損耗,有利于提高生產(chǎn)效率;另一方面,CO2氣體高溫高壓下可能具有較高的反應(yīng)活性,有可能與觸媒金屬、石墨等發(fā)生作用,可對金剛石生長過程的傳質(zhì)起到一定的調(diào)控作用。

目前,以葉蠟石為主體、白云石為內(nèi)襯材料的這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封傳壓介質(zhì)作用是多方面的,對合成優(yōu)質(zhì)、低耗、高產(chǎn)的金剛石是非常有利的。同時合成壓力、合成電流也有一定幅度的下降,并降低了錘耗,節(jié)約了成本,減少了環(huán)境污染,因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。




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