CN108636296A - 用于高压高温腔的绝热层和压力传递介质 - Google Patents

用于高压高温腔的绝热层和压力传递介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于高压高温腔的绝热层和压力传递介质。具体地，本发明公开了高压高温压机系统和用于高压高温压机中的绝热层。高压高温压机系统包括：至少一个砧；加热元件；用于电连接所述至少一个砧和所述加热元件的电流通路；以及所述加热元件周围的绝热层。绝热层包括：选自氯化铯(CsCl)、溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)和其组合物的材料；以及含有导电颗粒或半导体颗粒的添加物，其中所述绝热层具有大于0.1ohm.cm的电阻率，所述材料与所述含有导电颗粒或半导体颗粒的添加物混合在一起，并且在绝热层中存在的添加物的量少于基于绝热层总体积的5体积百分比。

Description

用于高压高温腔的绝热层和压力传递介质
本申请是申请号为201380016571.8、申请日为2013年4月8日、申请人为史密斯国际有限公司、发明名称为“用于高压高温腔的绝热层和压力传递介质”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于高压高温腔的绝热层和压力传递介质。
背景技术
高压高温(HPHT)腔被用于形成超硬材料，例如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)；所述超硬材料转而用于工具(例如切削工具和钻岩工具)中。HPHT腔被用于HPHT压机(例如立方压机、带式压机和环形压机)中。为了形成超硬材料，HPHT压机经常应用5至8GPa范围内的压力以及1300至1650℃范围内的温度。例如，PCD可以在5至7GPa以及1400至1500℃下烧结。
某些超硬材料(例如热稳定的PCD)的形成涉及在高得多的温度下烧结。特别地，采用碳酸盐催化剂形成的PCD可以在高于6.5GPa的压力以及高于2000℃的温度下烧结。另外，无粘合剂的纳米多晶PCD可以在大约15GPa的压力以及大约2300℃的温度下烧结。
在这些温度下的烧结可以采用包含耐火材料的HPHT腔实施，其中所述耐火材料能承受得住所述腔内部所达到的高温。例如，在HPHT腔中，诸如氧化镁(MgO)和氯化钠(NaCl)的材料被用作压力传递介质，并且具有低导热性的立方氧化锆(ZrO2)被用作绝热套(sleeve)。然而，在大约8GPa的压力下，当温度超过1600℃时NaCl开始熔化。
发明内容
提供本发明内容部分以介绍在下面的具体实施方式部分中进一步描述的一系列概念。本发明内容部分既不意欲用于确定所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意欲用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
所公开的主题的实施方案的方面涉及用于高压高温压机中的绝热层，其中所述绝热层包含选自氯化铯(CsCl)、溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)或其组合物的材料，并且所述绝热层是电绝缘的。
在某些实施方案中，绝热层是绝热套或绝热纽扣(button)。
在某些实施方案中，绝热层具有大于大约0.1ohm.cm的电阻率。
绝热层可以进一步包含添加物。
添加物可以反射和/或吸收热辐射。
添加物在高压高温条件下可以是液体。
添加物可以包含导电颗粒或半导体颗粒。
在某些实施方案中，添加物包含选自亚铬酸盐、铁氧体、金属、半导体、超导氧化物和其组合物的材料。
添加物可以包含化学式为LCrO3或MICr2O4的亚铬酸盐，其中L是钇或稀土元素，并且MI是过渡金属、Mg或Li。
亚铬酸盐可以是LaCrO3、FeCr2O4、CoCr2O4、MgCr2O4或其组合物。
亚铬酸盐可以掺杂有Mg、Ca、Sr或其组合物。
在某些实施方案中，添加物包含化学式为MIIFe2O4或MIIIFe12O19的铁氧体，其中MII是过渡金属、Mg或Li，并且MIII是Ba、Sr或其组合物。
铁氧体可以是Fe3O4、CoFe2O4、ZnFe2O4、BaFe12O19、SrFe12O19、MnaZn(1-a)Fe2O4、NiaZn(1-a)Fe2O4或其组合物，其中a的范围是0.01至0.99。
在某些实施方案中，金属是难熔金属，例如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt或其组合物；或具有相对低熔点的金属，例如Bi、Sn、Pb或其组合物。
在另一些实施方案中，金属是Al、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、B、Si、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ga、In、Pb、Bi或其组合物。
在某些实施方案中，添加物包含电绝缘颗粒。
添加物可以包含ZrO2、MgO、CaO、Al2O3、Cr2O3、铝酸盐或其组合物。
在某些实施方案中，在绝热层中存在的添加物的量可在基于绝热层的总体积的大约0.01至大约50体积百分比的范围内。
在其它实施方案中，在绝热套中存在的添加物的量小于基于绝热套总体积的5体积百分比。
本公开的实施方案的方面还涉及高压高温压机系统，其中所述高压高温压机系统包含：至少一个砧；加热元件；用于电连接所述至少一个砧和所述加热元件的电流通路；和包含选自氯化铯(CsCl)、溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)或其组合物的材料的绝热层，其中所述绝热层是电绝缘的。
在高压高温压机系统的某些实施方案中，绝热层通过不同于绝热层材料的材料与砧隔开。
在高压高温压机系统的某些实施方案中，绝热层与电流通路隔开。
在高压高温压机系统的某些实施方案中，绝热层是绝热套或绝热纽扣，并且所述绝热套或绝热纽扣通过不同于绝热套或绝热纽扣材料的材料与砧隔开。
在高压高温压机系统的某些实施方案中，绝热层具有大于大约0.1ohm.cm的电阻率。
本公开的实施方案的方面还涉及用于高压高温压机中的压力传递介质，其中所述压力传递介质包含溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)或其组合物。
在某些实施方案中，CsBr或CsI具有CsCl晶体结构。
压力传递介质可以进一步包含添加物。
添加物在高压高温条件下可以是液体。
添加物可以反射和/或吸收热辐射。
添加物可以包含导电颗粒或半导体颗粒。例如，添加物可以包含导电氧化物(例如，超导氧化物，如La1.85Ba0.15CuO4、HgBa2Ca2Cu3Ox、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、YBa2Cu3O7；半导体，如Si、Ge和/或Sb，半导体碳化物和/或半导体氮化物(例如SiC、TiC和GaN))。
在某些实施方案中，添加物包含选自亚铬酸盐、铁氧体、金属、半导体、超导氧化物和其组合物的材料。
添加物可以包含化学式为LCrO3或MICr2O4的亚铬酸盐，其中L是钇或稀土元素，并且MI是过渡金属、Mg或Li。
亚铬酸盐可以是LaCrO3、FeCr2O4、CoCr2O4、MgCr2O4或其组合物。
亚铬酸盐可以掺杂有Mg、Ca、Sr或其组合物。
在某些实施方案中，添加物包含化学式为MIIFe2O4或MIIIFe12O19的铁氧体，其中MII是过渡金属、Mg或Li，并且MIII是Ba、Sr或其组合物。
铁氧体可以是Fe3O4、CoFe2O4、ZnFe2O4、BaFe12O19、SrFe12O19、MnaZn(1-a)Fe2O4、NiaZn(1-a)Fe2O4或其组合物，其中a的范围是0.01至0.99。
在某些实施方案中，金属是难熔金属，例如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt或其组合物；或具有相对低熔点的金属，例如Bi、Sn、Pb或其组合物。
在另一些实施方案中，金属是Al、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、B、Si、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ga、In、Sn、Pb、Bi或其组合物。
在某些实施方案中，添加物包含电绝缘颗粒。
添加物可以包含ZrO2、MgO、CaO、Al2O3、Cr2O3、铝酸盐或其组合物。
压力传递介质中存在的添加物的量可在基于压力传递介质的总体积的大约0.01至大约50体积百分比的范围内。
在某些实施方案中，高压高温压机系统包含根据以上压力传递介质中任意一个的压力传递介质。
本公开的实施方案的方面还涉及用于高压高温压机中的压力传递介质，其中所述压力传递介质包含氯化铯(CsCl)和添加物，前提条件是所述添加物不包含ZrO2。
添加物可以反射和/或吸收热辐射。
添加物在高压高温条件下可以是液体。
添加物可以包含导电颗粒或半导体颗粒。
在某些实施方案中，添加物包含选自亚铬酸盐、铁氧体、金属、半导体、超导氧化物和其组合物的材料。
添加物可以包含式LCrO3或MICr2O4的亚铬酸盐，其中L是钇或稀土元素，并且MI是过渡金属、Mg或Li。
亚铬酸盐可以是LaCrO3、FeCr2O4、CoCr2O4、MgCr2O4或其组合物。
亚铬酸盐可以掺杂有Mg、Ca、Sr或其组合物。
在某些实施方案中，添加物包含化学式为MIIFe2O4或MIIIFe12O19的铁氧体，其中MII是过渡金属、Mg或Li，并且MIII是Ba、Sr或其组合物。
铁氧体可以是Fe3O4、CoFe2O4、ZnFe2O4、BaFe12O19、SrFe12O19、MnaZn(1-a)Fe2O4、NiaZn(1-a)Fe2O4或其组合物，其中a的范围是0.01至0.99。
在某些实施方案中，金属是难熔金属，例如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt或其组合物；或具有相对低熔点的金属，例如Bi、Sn、Pb或其组合物。
在另一些实施方案中，金属是Al、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、B、Si、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ga、In、Sn、Pb、Bi或其组合物。
在某些实施方案中，添加物包含电绝缘颗粒。
添加物可以包含ZrO2、MgO、CaO、Al2O3、Cr2O3、铝酸盐或其组合物。
压力传递介质中存在的添加物的量可在基于压力传递介质的总体积的大约0.01至大约50体积百分比的范围内。
在某些实施方案中，高压高温压机系统包含根据以上压力传递介质中任意一个的压力传递介质。
附图说明
附图与说明书一起示例说明了本公开的实施方案，并且与具体实施方式部分一起用来解释本公开的原理。
图1是高压高温压机的高压高温腔的实施方案的横截面示意图。
图2是通过在2100W的固定功率水平下加热实例的高压高温腔获得的腔温(℃)对包含在每个高压高温腔中位于包含CsCl的绝热套内的Fe3O4添加物的体积百分比的图。
图3是通过在2100W的功率水平下加热实例的高压高温腔获得的腔温(℃)对包含在每个高压高温腔中位于包含CsCl的绝热套内的添加物的体积百分比的曲线图。
图4是通过在2100W的功率水平下加热实例的高压高温腔获得的腔温(℃)对包含在每个高压高温腔中位于包含CsBr的绝热套内的添加物的体积百分比的曲线图。
图5是CsCl的熔点(℃)对施加的压力(kbar)的曲线图。
具体实施方式
本公开的实施方案涉及包含氧化铯(CsCl)、溴化铯(CsBr)或碘化铯(CsI)中的至少一种的高压高温(HPHT)腔。更特别地，本公开的实施方案涉及用于HPHT腔的绝热层，其中所述绝热层包含CsCl、CsBr或CsI。绝热层可以是绝热套、绝热纽扣或其它任何绝热结构，或者绝热层可以是前述结构的任意组合。另外，本公开的实施方案涉及用于HPHT腔的压力传递介质，其中所述压力传递介质包含CsBr或CsI。本公开的实施方案还涉及用于HPHT腔的压力传递介质，其中所述压力传递介质包含CsCl和添加物，前提条件是所述添加物不包含ZrO2。此外，本公开的实施方案涉及包含根据上述绝热层或压力传递介质中任一种的绝热层或压力传递介质的HPHT压机系统。
现在参照附图描述本公开的实施方案，其中所述附图示出了本公开的实施方案。附图是示例说明性的，不应解释为限制本公开。在附图中，为了便于示例说明，可以扩大层的厚度和区域。
用于处于压力下的立方压机的HPHT腔的实施方案在图1中示出。图1所示出的HPHT腔100可以用在用于制造超硬材料(例如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN))或将这种超硬材料加工进多晶复合材料中的HPHT压机中。HPHT压机在专利和文献中被很好地描述，并且被几个多晶超硬材料制造者使用。HPHT腔的实施方案可以与多砧腔(multianvilcell)一起使用，例如以下文献中所描述的那些：Walker、David在卷号为76的《AmericanMineralogist》的1092-1100页发表的Lubrication,gasketing and precision inmultianvil experiments(1991)；Shatskiy,T.等人在《Physics of the Earth andPlanetary Interiors》上发表的High pressure generation using scaled-up Kawai-cell(2011年8月11日)；Frost在卷号为143、期号为1-2的《Physics of the Earth andPlanetary Interiors》的第507-514页发表的A new large-volume multianvil system(2004)；以及美国临时申请系列号61/621，918的附录1，以上各篇文献的全部内容均通过援引加入的方法纳入本文。在特定的实施方案中，HPHT腔可以被用在单轴多砧压机中，其中负载被传输到六个楔形物，所述楔形物转而又向压机立方体周围的八个砧加上负载。HPHT腔的实施方案的砧也可以用于六砧立方压机中，所述六砧立方压机被用于装载在美国临时申请系列号61/621，918的附录1中所示的八砧系统。另外，如本领域技术人员已知的，HPHT腔的实施方案可以用在带式压机、活塞缸筒式压机或环形压机中。
如图1中所示，HPHT腔100包含密封衬垫1(例如密封衬垫11和13)，其可以包含在低压下具有好的流动特性并且在高压下呈现出剪切强度增大的材料，例如被设计成具有这些特性的叶腊石或合成材料(例如由土壤材料(earth material)、陶瓷、玻璃或其组合物制成的材料)，如在美国专利No.5,858,525中描述的合成密封衬垫材料，其全部内容通过援引加入的方式纳入本文。密封衬垫11和13可以各自由相同的(或者基本相同的)或不同的材料形成。HPHT腔100还包含绝热层3。绝热层可以包含绝热套31和/或绝热纽扣32和33，其中所述绝热套31和/或绝热纽扣32和33中的每一个均有助于保持腔100——更特别地腔工作容积(cell working volume)6——中的热，其中所述腔工作容积6包含压力传递介质8和所制造的产品7。绝热套31以及绝热纽扣32和33可以各自由粉末形成，并且它们可以各自由相同的(或基本相同的)或不同的材料形成。HPHT腔100还包含电流环或电流通路2，其可以由金属、石墨或其它导电材料形成，但是本公开不限于此。在某些实施方案中，绝热层3(例如绝热套31和/或绝热纽扣32和33)与电流通路2隔开。可包含石墨并且至少部分被腔内绝热层31(也就是绝热套)包围的加热元件(例如腔加热管5)提供热量给腔工作容积6。HPHT腔100还包含构成电流通路2的一部分的构件41、43、45和47。构件41、43、45和47可以包含难熔金属，例如Mo、Ta等；并且构成腔中电路的一部分。难熔金属也经常被用于封装在腔工作容积6(例如腔工作容积)中被压制的产品。在加压过程中，密封衬垫材料13流入空隙14。在加压结束后，密封衬垫材料将流动并且被挤压成图1中所示的结构。
腔的加热通过以下方式完成：使电流从腔一端的砧12流过电流通路2、加热元件5(例如加热管)，并且然后通过位于腔的另一端的相应构件流至相对侧的砧12，其中所述电流通路2包含构件41、43和45。在某些实施方案中，电流不流过(例如不主要流过)绝热层3(例如绝热套31和/或绝热纽扣32和33)。例如，第一绝热层3和/或密封衬垫1可以是电绝缘的。如本文中使用的，术语“电绝缘”表示电绝缘层具有的电阻(例如电阻率)使得该层不允许足以为加热元件提供动力的电流通过该层来加热HPHT腔的内部容积以达到足以HPHT压制的温度。例如，当第一绝热层3和/或密封衬垫1是电绝缘的时，第一绝热层3和/或密封衬垫1不传导足以为加热元件5提供动力的电流来加热内部容积6以达到足以HPHT压制的温度，并且相反，用于为加热元件5提供动力的电流主要传导通过与第一绝热层和/或密封衬垫1隔开的构件，例如电流通路2。在一些实施方案中，绝热层具有大于大约0.1ohm.cm的电阻率。加热管可以是腔中电阻最高的元件，因此在该元件中消耗最大部分的电功率，导致其温度上升至腔中其它元件的温度之上。绝热层3(例如绝热套31和/或其相应的绝热纽扣和绝热盘元件32和33)的目的是隔离腔的中心部分并且使流出腔中心部分的热量最小。这使得可在能量方面更有效率地加热腔并且使流入砧12的热量最小，其中所述砧12可能降低其性能。所制造的产品7可以被用作压力传递介质8的盐(例如NaCl、CsCl、CsBr或CsI)包围。在一段合适的加热时间后，关掉电流并且使腔冷却下来然后减压以回收产品。
在图1中可以看到，在某些实施方案中，绝热层3(例如绝热套31和/或绝热纽扣32和33)通过不同于绝热层(例如绝热套31和/或绝热纽扣32和33)材料的材料与砧12隔开。例如，绝热套31和/或绝热纽扣32和33可以通过密封衬垫11和/或13(例如密封衬垫1)与砧隔开，其中所述密封衬垫11和/或13可以包含在低压下具有好的流动特性以及在高压下呈现出增大的剪切强度的材料，例如被设计成具有这些特性的叶腊石或合成材料。
根据本公开的实施方案，腔内部绝热层31(也就是绝热套)包含选自CsCl、CsBr、CsI或其组合物的材料。在某些实施方案中，CsBr或CsI具有CsCl晶体结构。材料CsCl、CsBr和CsI各自均具有相对低的导热性。例如，CsCl在标准温度和压力下的导热性是大约0.95Wm-1K-1，其大大低于ZrO2在相同条件下的导热性——大约2.5Wm-1K-1。因此，诸如CsCl、CsBr和CsI等的材料比诸如ZrO2的材料传导的热量少，尽管CsCl、CsBr和CsI很难防止或减少通过热辐射进行的热量传导。通过包含具有低导热性(例如低于ZrO2导热性的)的材料(例如CsCl、CsBr或CsI)，根据本公开的实施方案的绝热套(例如绝热套31)可以减少从腔工作容积6向外传导的热量，从而增加腔工作容积6内部所达到的温度。即，腔内部绝热层31(也就是绝热套)将由腔加热管5所产生的热量中的至少一部分留存在腔工作容积6中，从而增加腔工作容积6中的温度并且促进多晶超硬材料或多晶复合材料的形成。
虽然诸如CsCl、CsBr和CsI的材料具有低导热性并因此减少了从腔工作容积6向外传导的热量，但是这些材料实际上也是热辐射可以穿透的。因此，诸如CsCl、CsBr和CsI的材料在减少从腔工作容积6向外辐射的热量方面起到的作用相对较小。因此，可以通过进一步包含添加物而大大改善绝热套31所提供的绝热，其中所述添加物为例如反射(如阻碍)和/或吸收热辐射的添加物，如配置成反射热辐射和/或吸收热辐射的添加物。例如，在绝热套31中包含特定量的添加物(例如导电颗粒)可以改善腔的绝缘性，这是由于所述添加物能够提供热辐射屏蔽。通过进一步包含添加物，绝热套31可以进一步减少从腔工作容积6向外辐射(也就是散发)的热量，从而进一步提高腔工作容积6中所达到的温度。可以通过任何合适的用于将添加物与CsCl、CsBr或CsI中的至少一种进行组合的方法将添加物包含在绝热套31中。例如，可以通过干粉混合的方式将添加物与CsCl、CsBr或CsI中的至少一种组合在一起。添加物在高压高温条件下可以是液体。
适合用于添加物的材料包括能反射热辐射(也就是具有好的辐射阻碍性能的材料)和/或吸收热辐射的材料，包括诸如导电颗粒或半导体颗粒或者导电粉末或半导体粉末的材料。例如，添加物可以包含导电氧化物(例如，超导氧化物，如La1.85Ba0.15CuO4、HgBa2Ca2Cu3Ox、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、YBa2Cu3O7；半导体，例如Si、Ge和/或Sb，半导体碳化物和/或半导体氮化物(例如SiC、TiC和GaN))。在某些实施方案中，添加物的非限制性例子包括亚铬酸盐、铁氧体、金属、半导体、超导氧化物和其组合物。例如，添加物可以包含化学式为LCrO3或MICr2O4的亚铬酸盐，其中L是钇或稀土元素，并且MI是过渡金属、Mg或Li。亚铬酸盐可以是LaCrO3、FeCr2O4、CoCr2O4、MgCr2O4或其组合物，但是本公开不限于此。亚铬酸盐可以掺杂有Mg、Ca、Sr或其组合物。掺杂所述亚铬酸盐可以改善其导电性。在一些实施方案中，添加物包含化学式为MIIFe2O4或MIIIFe12O19的铁氧体，其中MII是过渡金属、Mg或Li，并且MIII是Ba、Sr或其组合物。铁氧体可以是Fe3O4、CoFe2O4、ZnFe2O4、BaFe12O19、SrFe12O19、MnaZn(1-a)Fe2O4、NiaZn(1-a)Fe2O4或其组合物，其中a的范围是0.01至0.99，但是所列的这些物质不是穷举性的。在某些实施方案中，金属是难熔金属，例如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt或其组合物；或具有相对低熔点的金属，例如Bi、Sn、Pb或其组合物，但是本公开不限于此。在另一些实施方案中，所述金属的非限制性例子包括Al、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、B、Si、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ga、In、Sn、Pb、Bi和其组合物。在某些实施方案中，添加物包含电绝缘颗粒。例如，添加物可以包含ZrO2、MgO、CaO、Al2O3、Cr2O3、铝酸盐(例如FeAl2O4)或其组合物。
本申请的申请人发现根据本公开的实施方案的绝热套(例如，包含CsCl、CsBr或CsI和任选存在的添加物的绝热套)的性能显著优于主要包含ZrO2的绝热套。例如，图2是示出包含含有与不同量的Fe3O4添加物混合的CsCl的绝热套31的HPHT腔在2100W的功率水平下在加热管5中心线处测量的于腔工作容积6内所达到的温度的图。相似地，图3和4是示出包含含有与不同量Fe3O4、Fe、Nb、LaCrO3或Al混合的CsCl的绝热套的HPHT腔在2100W的功率水平下在腔工作容积6内所达到的温度的曲线图。在这些实例中的每一个中，CsCl和添加物均通过干粉混合的方式结合。然而，添加物可以通过任何合适的方法与CsCl、CsBr或CsI结合。
将CsCl与少量添加物(例如能反射和/或吸收热辐射的添加物)混合可以大幅度提高腔工作容积6的温度。在图2至4中可以看出，将CsCl与Fe3O4、Fe、Nb、LaCrO3或Al添加物混合可以将腔工作容积6的温度提高250℃或更多。相比之下，图2和3也示出了当绝热套31不包含添加物(例如包含不含添加物的CsCl)时，腔工作容积6的温度为大约1450至1500℃。相似地，在相同水平的功率输入下，包含立方ZrO2绝热套的腔也达到大约1500℃的腔工作容积6温度。
图2至4还示出了当包含在绝热套中的添加物过量时，由添加物提供的温度增加可能减小。事实上，因为添加物可具有比CsCl、CsBr或CsI高的导热性，所以在绝热套中包含过量的添加物可提高绝热套的导热性。通过提高绝热套的导热性，添加物可提高通过绝热套向腔工作容器6外传导的热量。在图2至4中可以看出，对于大多数添加物而言，当包含在绝热套中的添加物超过一定量时，在腔工作容积6中实现的温度增加实际上减小了。除了LaCrO3以外，经研究的添加物的导热性比CsCl的导热性高。图3示出了在整个经研究的Fe和LaCrO3添加物量的范围内腔工作容积6的温度增加不会减小。
在绝热套中包含添加物减少了从腔工作容积6向外辐射(也就是散发)的热量；然而同时，如果包含在绝热套中的添加物的量超过某个量，则向绝热套中进一步添加添加物可能增加从腔工作容积6向外传导的热量，从而降低腔工作容积6中可实现的温度。因此，包含在绝热套中的添加物量应该基于绝热套的导热性、热反射性和/或热吸收特性进行选择。例如，在绝热套中存在的添加物的量可在基于绝热套的总体积的大约0.01至大约50体积百分比的范围内。在其它实施方案中，在绝热层(例如绝热纽扣)中存在的添加物的量少于基于绝热层总体积的5体积百分比。然而，添加物的量可取决于添加物的组成。例如，当添加物包含导电材料如Ni、Fe、Cr、Mo、Ta或其混合物时，可以存在的添加物的量少于基于绝热层总体积的5体积百分比。当添加物包含Fe3O4时，可以存在的添加物的量在大约0.01至大约2.0体积百分比的范围内。当添加物包含Nb时，可以存在的添加物的量在大约0.01至大约4.0体积百分比范围内，或者在大约2.0至大约4.0的体积百分比范围内。当添加物包含Al时，可以存在的添加物的量在大约0.01至大约3.0体积百分比范围内。根据本公开的实施方案的绝热套可以包含在任何合适的HPHT压机系统中。
本公开的实施方案还涉及用于高压高温压机中的绝热层，例如，绝热纽扣，如绝热纽扣32和33；其中所述绝热纽扣32和33包含选自CsCl、CsBr、CsI或其组合物的材料。
如上所述，CsCl的导热性在标准温度和压力下是大约0.95Wm-1K-1，其显著低于ZrO2在相同条件下的导热性——大约2.5Wm-1K-1。因此，诸如CsCl、CsBr和CsI的材料传导的热量少于诸如ZrO2的材料传导的热量，尽管CsCl、CsBr和CsI很难防止或减少通过热辐射进行的热量传导。通过包含具有低导热性(例如低于ZrO2导热性的导热性)的材料如CsCl，根据本公开的实施方案的绝热纽扣——例如绝热纽扣32和33——可以减少从腔工作容积6向外传导的热量，从而提高腔工作容积6内部所达到的温度。即，绝热纽扣32和33将由腔加热管5所产生的热量中的至少一部分留存在腔工作容积6中，从而提高腔工作容积6内部的温度并且促进超硬材料或多晶复合材料的形成。
如上所述，虽然CsCl具有低导热性并因此减少了从腔工作容积6向外传导的热量，但是CsCl实际上也是热辐射可以穿透的。因此，CsCl在减少从腔工作容积6向外辐射的热量方面起到的作用相对较小。因此，可以通过进一步包含添加物而大大改善绝热纽扣所提供的绝热，其中所述添加物为例如反射(例如阻碍)和/或吸收热辐射的添加物，如配置成反射热辐射和/或吸收热辐射的添加物。例如，在绝热纽扣中包含特定量的添加物(例如导电颗粒)可以改善腔的绝热性，由于所述添加物提供热辐射屏蔽。通过进一步包含添加物，绝热纽扣可以进一步减少从腔工作容积6向外辐射(也就是散发)的热量，从而进一步增加腔工作容积6中所达到的温度。可以通过任何合适的用于使添加物与CsCl、CsBr或CsI中的至少一种进行组合的方法将添加物包含在绝热纽扣中。例如，通过干粉混合的方式可以将添加物与CsCl、CsBr或CsI中的至少一种组合在一起。添加物在高压高温条件下可以是液体。
适合用于添加物的材料包括能反射热辐射(也就是具有好的辐射阻碍性能的材料)和/或吸收热辐射的材料，包含诸如导电颗粒或半导体颗粒或者导电粉末或半导体粉末的材料。例如，添加物可以包含导电氧化物(例如，超导氧化物，如La1.85Ba0.15CuO4、HgBa2Ca2Cu3Ox、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、YBa2Cu3O7；半导体，如Si、Ge和/或Sb，半导体碳化物和/或半导体氮化物(例如SiC、TiC和GaN))。在某些实施方案中，添加物的非限制性例子包括亚铬酸盐、铁氧体、金属、半导体、超导氧化物和其组合物。例如，添加物可以包含化学式为LCrO3或MICr2O4的亚铬酸盐，其中L是钇或稀土元素，并且MI是过渡金属、Mg或Li。亚铬酸盐可以是LaCrO3、FeCr2O4、CoCr2O4、MgCr2O4或其组合物，但是本公开不限于此。亚铬酸盐可以掺杂有Mg、Ca、Sr或其组合物。掺杂所述亚铬酸盐可以改善其导电性。在一些实施方案中，添加物包含化学式为MIIFe2O4或MIIIFe12O19的铁氧体，其中MII是过渡金属、Mg或Li，并且MIII是Ba、Sr或其组合物。铁氧体可以是Fe3O4、CoFe2O4、ZnFe2O4、BaFe12O19、SrFe12O19、MnaZn(1-a)Fe2O4、NiaZn(1-a)Fe2O4或其组合物，其中a的范围是0.01至0.99；但是所列的这些物质不是穷举性的。在某些实施方案中，金属是难熔金属，例如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt或其组合物；或具有相对低熔点的金属，例如Bi、Sn、Pb或其组合物，但是本公开不限于此。在另一些实施方案中，所述金属的非限制性例子包括Al、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、B、Si、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ga、In、Sn、Pb、Bi和其组合物。在某些实施方案中，添加物包含电绝缘颗粒。例如，添加物可以包含ZrO2、MgO、CaO、Al2O3、Cr2O3、铝酸盐(例如FeAl2O4)或其组合物。
本申请的申请人发现根据本公开的实施方案的绝热纽扣(例如，包含CsCl、CsBr或CsI和任选存在的添加物的绝热纽扣)的性能显著优于主要包含ZrO2的绝热纽扣。绝热纽扣的绝热性能与上面针对绝热套描述的那些相似。将CsCl与少量添加物(例如能反射和/或吸收热辐射的添加物)混合可以大幅度提高腔工作容积6的温度。然而，当包含在导热纽扣中的添加物过量时，由添加物所提供的温度增加可能减小。事实上，因为添加物可具有比CsCl、CsBr或CsI导热性高的导热性，所以在绝热纽扣中包含过量的添加物可能提高绝热纽扣的导热性。通过提高绝热纽扣的导热性，添加物可以通过绝热纽扣增加可从腔工作容器6向外传导的热量。
绝热纽扣中包含的添加物减少了从腔工作容积6向外辐射(也就是散发)的热量；然而同时，如果包含在绝热纽扣中的添加物的量超过某个量，则向绝热纽扣中进一步添加添加物可以增加从腔工作容积6向外传导的热量，从而降低腔工作容积6中可实现的温度。因此，包含在绝热纽扣中的添加物的量应该基于绝热纽扣的导热性、热反射性和/或热吸收特性进行选择。例如，在绝热纽扣中存在的添加物的量可以在基于绝热纽扣的总体积的大约0.01至大约50体积百分比的范围内。在其它实施方案中，在绝热层(例如绝热纽扣)中存在的添加物的量少于基于绝热层总体积的5体积百分比。然而，添加物的量可以取决于添加物的组成。例如，当添加物包含导电材料如Ni、Fe、Cr、Mo、Ta或其混合物时，可以存在的添加物的量少于基于绝热层总体积的5体积百分比。当添加物包含Fe3O4时，可以存在的添加物的量在大约0.01至大约2.0体积百分比的范围内。当添加物包含Nb时，可以存在的添加物的量在大约0.01至大约4.0体积百分比范围内，或者在大约2.0至大约4.0的体积百分比范围内。当添加物包含Al时，可以存在的添加物的量在大约0.01至大约3.0体积百分比范围内。根据本公开的实施方案的绝热纽扣可以包含在任何合适的HPHT压机系统中。
本公开的另一实施方案涉及用于高温高压压机中的压力传递介质，其中所述压力传递介质包含CsBr或CsI。位于腔工作容积6中的压力传递介质8被用于从HPHT压机中的砧12或其它相似构件向待压制的材料(例如生坯)传递压力。氯化钠(NaCl)被广泛用作用于传统PCD和PCBN烧结的HPHT腔中的压力传递介质，因为其便宜并且容易获得。然而，当在8GPa的压力下温度在1600℃以上时，NaCl开始熔化。因此，当温度超过1600℃时，NaCl作为压力传递介质的应用受限。
然而，本申请的申请人发现在8GPa的压力下CsBr和CsI具有高于2000℃的熔点。虽然CsBr和CsI在环境压力下具有相对低的熔化温度，但是它们的熔化温度随着压力增加而急剧增加。例如，如图5所示，CsCl的熔化温度在环境压力下也是相对低的，但是随着压力的增加而急剧增加。CsBr的熔点高于CsI的熔点，并且CsCl的熔点高于CsI和CsBr的熔点。在这些材料中，作为绝缘材料，CsCl的性能往往比CsI或CsBr更好。
此外，本申请的申请人发现CsBr和CsI具有与NaCl的可压缩性相似的可压缩性。因此，CsBr和CsI合适地将压力从HPHT压机的砧12或其它类似构件传递给待压制的材料(例如生坯)。另外，如上所述，CsBr和CsI也具有低导热性，并且因此可以减少从腔工作容积6向外传导的热量。也就是说，诸如CsBr和CsI的材料传导的热量比其它材料例如NaCl传导的热量少，尽管CsBr和CsI很难防止或减少通过热辐射进行的热量传导。因此，压力传递介质8将由腔加热管5所产生的热量中的至少一部分留存在腔工作容积6中，从而增加腔工作容积6中的温度并且促进超硬材料或多晶复合材料的形成。
如上所述，虽然CsBr和CsI具有低导热性并因此减少了从腔工作容积6向外传导的热量，但是CsBr和CsI实际上也是热辐射可以穿透的。因此，CsBr和CsI在减少从腔工作容积6向外辐射的热量方面起到的作用相对较小。因此，可以通过进一步包含添加物而大大改善压力传递介质8所提供的绝热，其中所述添加物为例如反射(例如阻碍)和/或吸收热辐射的添加物，如被配置用于反射(例如阻碍)热辐射和/或吸收热辐射的添加物。例如，在压力传递介质8中包含特定量的添加物(例如导电颗粒)可以改善腔的绝热性，由于所述添加物提供热辐射屏蔽。通过进一步包含所述添加物，压力传递介质8可以进一步减少从腔工作容积6向外辐射(也就是散发)的热量，从而进一步增加腔工作容积6中所达到的温度。可以通过任何合适的用于使添加物与CsBr或CsI进行组合的方法将添加物包含在压力传递介质8中。例如，可以通过干粉混合的方式将添加物与CsBr或CsI组合在一起。添加物在高压高温条件下可以是液体。
适合用于添加物的材料包含能反射热辐射(也就是具有好的辐射阻碍性能的材料)和/或吸收热辐射的材料，包含诸如导电颗粒或半导体颗粒或者导电粉末或半导体粉末的材料。例如，添加物可以包含导电氧化物(例如，超导氧化物，例如La1.85Ba0.15CuO4、HgBa2Ca2Cu3Ox、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、YBa2Cu3O7；半导体，例如Si、Ge和/或Sb，半导体碳化物和/或半导体氮化物(例如SiC、TiC和GaN))。在某些实施方案中，添加物的非限制性例子包括亚铬酸盐、铁氧体、金属、半导体、超导氧化物和其组合物。例如，添加物可以包含式LCrO3或MICr2O4的亚铬酸盐，其中L是钇或稀土元素，并且MI是过渡金属、Mg或Li。亚铬酸盐可以是LaCrO3、FeCr2O4、CoCr2O4、MgCr2O4或其组合物，但是本公开不限于此。亚铬酸盐可以掺杂有Mg、Ca、Sr或其组合物。掺杂所述亚铬酸盐可以改善其导电性。在一些实施方案中，添加物包含式MIIFe2O4或MIIIFe12O19的铁氧体，其中MII是过渡金属、Mg或Li，并且MIII是Ba、Sr或其组合物。铁氧体可以是Fe3O4、CoFe2O4、ZnFe2O4、BaFe12O19、SrFe12O19、MnaZn(1-a)Fe2O4、NiaZn(1-a)Fe2O4或其组合物，其中a的范围是0.01至0.99；但是所列的这些物质不是穷举性的。在某些实施方案中，金属是难熔金属，例如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt或其组合物；或具有相对低熔点的金属，例如Bi、Sn、Pb或其组合物，但是本公开不限于此。在另一些实施方案中，所述金属的非限制性例子包括Al、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、B、Si、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ga、In、Sn、Pb、Bi和其组合物。在某些实施方案中，添加物包含电绝缘颗粒。例如，添加物可以包含ZrO2、MgO、CaO、Al2O3、Cr2O3、铝酸盐(例如FeAl2O4)或其组合物。
压力传递介质8的绝热性能与上面针对绝热套描述的以及图2至4的那些相似。将CsBr或CsI与少量添加物(例如能反射和/或吸收热辐射的添加物)混合可以大幅度增加腔工作容积6的温度。然而，当包含在压力传递介质8中的添加物过量时，由添加物提供的温度增加可能减小。事实上，因为添加物可具有比CsBr或CsI导热性高的导热性，所以在压力传递介质8中包含过量的添加物可能提高压力传递介质的导热性。通过提高压力传递介质8的导热性，添加物可能通过压力传递介质增加从腔工作容器6向外传导的热量。
压力传递介质8中包含添加物减少了从腔工作容积6向外辐射(也就是散发)的热量；然而同时，如果包含在压力传递介质8中的添加物的量超过某个量，则向压力传递介质8进一步添加添加物可以增加从腔工作容积6向外传导的热量，从而降低腔工作容积6中实现的温度。因此，包含在压力传递介质8中的添加物的量应该基于压力传递介质的导热性、热反射性和/或热吸收特性进行选择。例如，可以在压力传递介质8中存在的添加物的量在基于压力传递介质的总体积的大约0.01至大约50体积百分比的范围内。在其它实施方案中，在压力传递介质中存在的添加物的量少于基于压力传递介质总体积的5体积百分比。然而，添加物的量可以取决于添加物的组成。例如，当添加物包含导电材料例如Ni、Fe、Cr、Mo、Ta或其混合物时，可以存在的添加物的量少于基于绝热层总体积的5体积百分比。当添加物包含Fe3O4时，可以存在的添加物的量在大约0.01至大约2.0体积百分比的范围内。当添加物包含Nb时，可以存在的添加物的量在大约0.01至大约4.0体积百分比范围内，或者在大约2.0至大约4.0的体积百分比范围内。当添加物包含Al时，可以存在的添加物的量在大约0.01至大约3.0体积百分比范围内。本公开的实施方案涉及用于高压高温压机中的压力传递介质，其中所述压力传递介质包含CsCl和添加物，前提条件是所述添加物不包含ZrO2。添加物可以是上述描述的那些中的任意一种，条件是所述添加物不是ZrO2。根据本公开的实施方案的压力传递介质可以包含在任何合适的HPHT压机系统中。
虽然上面仅详细描述了几个实例性实施方案，但是本领域技术人员可以容易地理解在实例性实施方案中可以做出许多修改而不会实质上脱离本公开的范围。因此，所有这些修改都意欲包括在由所附权利要求中所限定的本公开的范围内。在权利要求中，手段加功能句型意欲用于覆盖本文中所描述的执行所述功能的结构，其不仅仅涵盖结构等同物也涵盖等同结构。因此，虽然钉子和螺钉可能不是结构等同物，因为钉子利用圆柱表面将木质部件固定到一起，而螺钉利用螺旋表面固定木质部件；但是在固定木质部件的环境中，钉子和螺钉可以是等同结构。本申请的申请人明确表明不援引35U.S.C.§112，第6款对这里的任意权利要求进行任何限制，除非在权利要求中明确地将词组“用于…...的手段”和相关的功能一起使用。

Claims (8)

1.用于高压高温压机中的绝热层(3)，该绝热层包括：
选自氯化铯(CsCl)、溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)和其组合物的材料；以及
含有导电颗粒或半导体颗粒的添加物，
其中所述绝热层(3)具有大于0.1ohm.cm的电阻率，
所述材料与所述含有导电颗粒或半导体颗粒的添加物混合在一起，并且
在绝热层中存在的添加物的量少于基于绝热层总体积的5体积百分比。
2.根据权利要求1的绝热层，其中所述添加物包含选自亚铬酸盐、铁氧体、金属、半导体、超导氧化物和其组合物的材料。
3.根据权利要求2的绝热层，其中所述金属是选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt和其组合物的难熔金属。
4.根据权利要求2的绝热层，其中所述金属选自Al、Fe、Mn、Ni、Co、Cu、B、Si、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ga、In、Sn、Pb、Bi和其组合物。
5.根据权利要求1的绝热层，其中所述添加物包含选自ZrO2、MgO、CaO、Al2O3、Cr2O3、铝酸盐和其组合物的材料。
6.根据权利要求1的绝热层，其中存在于所述绝热层中的添加物的量在基于绝热层的总体积的0.1至50体积百分比的范围中。
7.一种高压高温压机系统，所述高压高温压机系统包括：
至少一个砧(12)；
加热元件(5)；
用于电连接所述至少一个砧(12)和所述加热元件(5)的电流通路(2)；以及
所述加热元件周围的绝热层(3)，其中所述绝热层(3)包括：
选自氯化铯(CsCl)、溴化铯(CsBr)和碘化铯(CsI)的材料，和
含有导电颗粒或半导体颗粒的添加物，
其中所述绝热层(3)具有大于0.1ohm.cm的电阻率，
所述材料与所述含有导电颗粒或半导体颗粒的添加物混合在一起，并且
在绝热层中存在的添加物的量少于基于绝热层总体积的5体积百分比。
8.根据权利要求7的高压高温压机系统，其中所述绝热层(3)通过与所述绝热层(3)的材料不同的材料(1)与所述砧隔开。
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