專利名稱:大規(guī)模生產(chǎn)人造金鋼石地下核爆炸觸媒法的制作方法
本發(fā)明屬于一種沖擊合成人造金剛石的方法。
利用現(xiàn)有技術(shù)獲得人造金剛石的方法很多，但是具有商業(yè)價值的是爆炸沖擊法。
例如84年第一期“人工晶體”發(fā)表的“用沖擊法合成人造金剛石”一文中，對沖擊合成金剛石的方法和使用的裝置，系統(tǒng)的進(jìn)行了分析。沖擊法合成金剛石，是利用TNT炸藥引爆后，產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波作用于石墨，產(chǎn)生高溫、高壓，在幾微秒的瞬間內(nèi)，可以得到幾百千巴的壓強(qiáng)，使石墨直接轉(zhuǎn)變成金剛石。沖擊合成金剛石的方法很多，但為國內(nèi)、外所廣泛采用的是飛片定向沖擊法。
該方法用壓縮TNT粉作為平面波引爆藥，位于柱狀炸藥上方，柱狀炸藥由TNT和R.D.X.以1∶1混合熔鑄而成，在其下方安放石墨試樣。飛片為厚1～6毫米的低碳鋼板，安放在柱狀炸藥和石墨試樣之間。
這種方法轉(zhuǎn)化率較高，但金剛石生成空間小，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，只能合成小顆粒金剛石和金剛石微粉，產(chǎn)量低，成本高。
本發(fā)明的目的是擴(kuò)大金剛石生成空間，提高人造金剛石產(chǎn)量和質(zhì)量，降低成本。
本發(fā)明把核爆炸作為強(qiáng)大的高壓源，在其附近產(chǎn)生的壓強(qiáng)可達(dá)幾兆巴，溫度超過十兆度;大地作為高壓容器，它完全可以經(jīng)受核爆炸產(chǎn)生的高壓和高溫;在地下，可以把人造金剛石的生成空間做得足夠大，使用金屬觸媒又可以提高石墨的轉(zhuǎn)化率。
為此，設(shè)計了地下橫巷道，它包括填充區(qū)(2、3)、藥室(4)和金剛石生成區(qū)(6)三部分。
本發(fā)明是利用核爆炸產(chǎn)生的高壓，避開其高溫。其原理如下假定核爆炸物呈球形，放置在足夠深的，完整的，各向同性的巖石中，如圖1所示，其中(1)、(2)和(3)，分別代表地面、巖石和核爆炸物。爆炸后，壓強(qiáng)和溫度的分布是各向同性，如圖2所示，(1)和(2)仍代表地面和巖石，(3)為流態(tài)物質(zhì)，此時等壓強(qiáng)面(4)和等溫面(4)呈球面形，一個等壓強(qiáng)面同時又是等溫面，壓強(qiáng)高的地方溫度亦高，壓強(qiáng)低的地方溫度亦低。
如果把圖1所示的結(jié)構(gòu)改變一下，得到圖3所示的結(jié)構(gòu)，此時核爆炸物(4)仍呈球形，巖石Ⅱ(3)與巖石Ⅰ(2)的性質(zhì)完全相同，但不再是一個整體，此處的(1)代表地面，巖石Ⅱ(3)可以相對于巖石Ⅰ(2)運(yùn)動。爆炸后等壓強(qiáng)面與等溫面如圖4所示，其中(1)、(2)、(3)、(4)和(5)分別代表地面、巖石Ⅰ、巖石Ⅱ、流態(tài)物質(zhì)和等壓強(qiáng)等溫面。此時，等溫面仍是球面形，但等壓強(qiáng)面不再是球面形。當(dāng)壓力遠(yuǎn)大于巖石Ⅱ(3)與巖石Ⅰ(2)之間的摩擦力時，摩擦力略去不計，可以近似地認(rèn)為a處與b處的壓強(qiáng)相同，如果巖石Ⅱ(3)足夠長，則b處的溫度遠(yuǎn)低于a處的溫度，即在b處獲得低溫、高壓。b處是理想的金剛石生成區(qū)。
實施方案。
實施地點應(yīng)該選在巖石地區(qū)，并且要求巖石完整。
在實施過程中，會遇到許多其它問題，例如根據(jù)核爆炸物的TNT核當(dāng)量，根據(jù)巖石的具體情況，確定核爆炸物的埋設(shè)深度，然后打豎井，開鑿橫巷道，放置核爆炸物，敷設(shè)引爆裝置，嚴(yán)密封井等。這些技術(shù)都是成熟的技術(shù)，凡是有能力實施本發(fā)明者，都已經(jīng)完全掌握了這項技術(shù)。
本發(fā)明的關(guān)鍵是橫巷道，其結(jié)構(gòu)與本發(fā)明的實施密切相關(guān)。
圖5是橫巷道的結(jié)構(gòu)圖。它由藥室(4)，填充區(qū)(2、3)，金剛石生成區(qū)(6)三部分組成。
藥室(4)放置核爆炸物(5)，填充區(qū)(2、3)分為二部分填充區(qū)Ⅰ(2)和填充區(qū)Ⅱ(3)。金剛石生成區(qū)(6)放置觸媒金屬(7)與石墨(8)組成的試樣。填充區(qū)(2、3)的填充物(10)是水泥、鋼筋、砂、石的混合體。豎井(1)穿過基體巖石(9)與橫巷道垂直相通。
適當(dāng)選擇核爆炸物的TNT核當(dāng)量很重要，核當(dāng)量過大不僅加大生產(chǎn)成本，而且不利于人造金剛石的生成。石墨受到高壓以后，由于原子間的摩擦，產(chǎn)生很高的溫度，例如，在0.18兆巴時，石墨的溫度為227℃，在0.6兆巴時，溫度達(dá)到1027℃。地下核爆炸可以產(chǎn)生幾兆巴的壓強(qiáng)，石墨被壓縮以后，產(chǎn)生很高的溫度，當(dāng)高壓消失以后，如果降溫不及時，已形成的金剛石又可能重新石墨化，從而降低金剛石轉(zhuǎn)化率。因此，選擇的壓強(qiáng)應(yīng)該使石墨被壓縮以后產(chǎn)生的溫度不超過1600℃。通過增大橫巷道半徑的方式降低壓強(qiáng)。
填充區(qū)(2、3)把藥室(4)同金剛石生成區(qū)(6)隔離開來，它有兩個作用傳遞核爆炸產(chǎn)生的高壓;降溫、隔熱使金剛石生成區(qū)(6)處于低溫。
當(dāng)核爆炸物在地下起爆后，在幾微秒的時間內(nèi)，產(chǎn)生極高的溫度和一個由中心向外運(yùn)動的強(qiáng)沖擊波。此時，橫巷道內(nèi)的填充物(10)和石墨(8)等物質(zhì)被壓縮。在高溫作用下，如果填充區(qū)(2、3)足夠長，則部分填充物被熔化，部分填充物處于高溫狀態(tài)，部分填充物處于低溫狀態(tài)。此時，緊靠填充區(qū)(2、3)低溫填充物的金剛石生成區(qū)(6)亦處于低溫狀態(tài)。因此，橫巷道的長度必須大于橫巷道內(nèi)被壓縮物質(zhì)的長度與高溫物質(zhì)的長度之和，以保證金剛石生成區(qū)(6)處于低溫區(qū)域。
起爆后不久的一段時間，橫巷道內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，這時，由于周圍巖石的壓力，橫巷道內(nèi)的填充物要向爆炸中心運(yùn)動，這種運(yùn)動不利于人造金剛石的合成。為了削弱這種運(yùn)動，填充區(qū)(2、3)分成兩部分填充區(qū)Ⅰ(2)和填充區(qū)Ⅱ(3)。填充區(qū)Ⅱ(3)的半徑R2大于填充區(qū)Ⅰ(2)的半徑R1;填充區(qū)Ⅱ(3)靠近金剛石生成區(qū)(6)，填充區(qū)Ⅰ(2)靠近藥室(4)，當(dāng)周圍的巖石壓迫金剛石生成區(qū)(6)里的物質(zhì)，進(jìn)而把填充區(qū)(2、3)里的填充物(10)推向爆炸中心時，由于填充區(qū)Ⅱ(3)的半徑R2大于填充區(qū)Ⅰ(2)的半徑R1，填充區(qū)Ⅰ(2)的巷道壁起到限制填充區(qū)Ⅱ(3)里的填充物向爆炸中心運(yùn)動的作用，從而將這種運(yùn)動削弱。
填充區(qū)(2、3)用水泥、鋼筋、砂、石澆鑄成一個整體，印圖3中的巖石Ⅱ(3)，并使其相對于基體巖石運(yùn)動，基體巖石為圖3中的巖石Ⅰ(2)。
在合成金剛石過程中，需使用觸媒金屬，其目的是提高轉(zhuǎn)化率;降低合成金剛石的壓力和溫度，避免高溫引起金剛石重新石墨化。常用的觸媒金屬是Co或Ni。
石墨要選用去掉雜質(zhì)的致密結(jié)晶狀石墨，這種石墨的特點是結(jié)晶明顯，晶體肉眼可見，顆粒大于0.1毫米，呈致密晶狀結(jié)構(gòu)。
石墨與觸媒金屬采用分層裝填方法，印一層觸媒金屬，一層石墨，然后又是一層觸媒金屬，一層石墨，直至將金剛石生成區(qū)(6)裝滿為止，如圖5中的(6)所示。生產(chǎn)完成后，在金剛石生成區(qū)(6)的上方打豎井，一直到達(dá)金剛石生成區(qū)(6)，然后將人造金剛石取出。
本發(fā)明具有金剛石生成空間大，產(chǎn)量高，金剛石顆粒大的優(yōu)點，在應(yīng)用地下核爆法建設(shè)地下工程(如油庫、天然氣庫、水庫等)的同時，進(jìn)行人造金剛石生產(chǎn)，可進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.現(xiàn)行沖擊合成人造金剛石的一種方法是飛片定向沖擊法，該方法把石墨試樣放在TNT柱狀炸藥下方，并在兩者間安放一塊厚1～6毫米的低碳鋼板，柱狀炸藥上方安放平面波引爆藥，試樣下方是鋁基座，本發(fā)明的特征是采用地下橫巷道作為生產(chǎn)人造金剛石的主體設(shè)施，橫巷道由藥室(4)、填充區(qū)(2、3)和金剛石生成區(qū)(6)組成，藥室(4)放置核爆炸物，金剛石生成區(qū)(6)放置致密結(jié)晶狀石墨(8)與觸媒金屬(7)，填充區(qū)(2、3)把藥室(4)同金剛石生成區(qū)(6)隔離開，橫巷道的長度必須大于橫巷道內(nèi)被壓縮物質(zhì)的長度及高溫物質(zhì)長度之和。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的橫巷道，其特征是填充區(qū)(2、3)分成兩部分填充區(qū)Ⅰ(2)和填充區(qū)Ⅱ(3)，填充區(qū)Ⅱ(3)的半徑R2大于填充區(qū)Ⅰ(2)的半徑R1;填充區(qū)Ⅱ(3)靠近金剛石生成區(qū)(6)，填充區(qū)Ⅰ(2)靠近藥室(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的橫巷道，其特征是填充區(qū)(2、3)的兩部分用水泥、鋼筋、砂、石澆鑄成一個整體，并且可相對于基體巖石運(yùn)動。
專利摘要
本發(fā)明大規(guī)模生產(chǎn)人造金剛石地下核爆炸觸媒法。屬于一種沖擊合成人造金剛石的方法。以核爆炸作為高壓源，采用地下橫巷道作為合成金剛石的主體設(shè)施，它包括藥室、填充區(qū)和金剛石生成區(qū)。橫巷道長度大于其內(nèi)部被壓縮物質(zhì)的長度及高溫物質(zhì)長度之和。填充區(qū)分為半徑不等的兩部分，用水泥、鋼筋、砂、石澆鑄成一個整體，并可相對于基體巖石運(yùn)動。本發(fā)明具有金剛石生成空間大，產(chǎn)量高，顆粒大，成本低的優(yōu)點。
文檔編號B01J3/08GK85102963SQ85102963
公開日1985年10月10日 申請日期1985年4月22日
發(fā)明者李殿雙 申請人:李殿雙導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan