CN113813878B - 一种双加热层金刚石合成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双加热层金刚石合成装置，包括包括叶腊石块、所述叶腊石块中心设有圆柱状的合成腔体，所述合成腔体内设有设有保温层和位于所述保温层内侧的保温加热组件，所述保温加热组件内侧设有与所述外加热环紧密贴合的均热管，所述均热管内侧与内加热环紧密接触，所述内加热环内侧设有隔离组件并与所述隔离组件紧密接触，所述述隔离组件紧密包围在石墨柱外侧，所述合成腔体还设有一对导电结构，所述导电结构压在所述内加热环和所述保温加热组件端部。本发明既能保证高温高压区域压力均衡，又能避免隔离层和保温层膨胀变形带来的各区域降温速率差异导致的温度压力变化不均匀。

Description

一种双加热层金刚石合成装置

技术领域

本发明具体涉及一种双加热层金刚石合成装置。

背景技术

金刚石等超硬材料具有高耐磨性，目前在石油钻探、地质勘察、工程钻进、机械加工等领域都有广泛的应用。目前传统的合成块在进行中，通过六面顶压机挤压合成块产生高压，并通过向合成块中通电产生高温，使合成块合成腔内的晶床在高温高压环境下生成金刚石晶体。

传统的合成块，设置一层加热管，内外侧分别设有隔离层和保温层，隔离层和保温层受到压力后能传递压力和产生均压效果，但合成块中外层叶腊石块成立方体形状，而内部高温高压区域则成圆筒形，因此在高压高温状态下仍然不能很好地保证高温高压区域周侧的压力均衡，此外由于合成反应完成后先降温在减压，这种结构中隔离层和保温层在之前反应过程产生的膨胀变形，容易与加热管和叶腊石块产生相互结合渗透，这样在降温过程中，可能出现各区域散热速率不同，温度和压力变化不均匀，在降压过程中易出现放炮现象。现有技术很难同时兼顾二者。

发明内容

本发明的目的是提供一种双加热层金刚石合成装置，用于解决现有技术既能保证高温高压区域压力均衡，又能避免隔离层和保温层膨胀变形带来的各区域降温速率差异导致的温度压力变化不均匀的技术问题。

所述的一种双加热层金刚石合成装置，包括包括叶腊石块、所述叶腊石块中心设有圆柱状的合成腔体，所述合成腔体内设有保温加热组件，所述保温加热组件包括外加热环、包覆在所述外加热环外侧和上下两端的隔离保温层和设于所述隔离保温层上下两端的嵌入式导电环，所述导电环通过穿过所述隔离保温层的凸出电极与所述外加热环紧密接触，所述保温加热组件内侧设有与所述外加热环紧密贴合的均热管，所述均热管内侧与内加热环紧密接触，所述内加热环内侧设有隔离组件并与所述隔离组件紧密接触，所述隔离组件紧密包围在石墨柱外侧，所述合成腔体还设有一对导电结构，所述导电结构压在所述内加热环和所述保温加热组件端部。

优选的，所述隔离保温层的端面设有与所述导电环形状匹配的嵌入槽，所述导电环嵌入所述嵌入槽中且所述导电环顶部不低于所述隔离保温层的端面，所述凸出电极与所述导电环一体化，并沿所述导电环底面周向均匀设置。

优选的，所述隔离保温层采用氧化锆材料制成，所述均热管和所述导电环采用高熔点金属材料制成。

优选的，所述导电结构包括导电片、导电钢碗和白云石芯，所述导电钢碗内均填充有所述白云石芯，所述导电钢碗压在所述导电片上。

优选的，所述隔离组件、所述内加热环、所述均热管和所述保温加热组件四者的端面平齐，所述导电片同时与所述内加热环端部和所述导电环紧密接触。

优选的，叶腊石环套在所述导电钢碗外侧，且所述叶腊石环的外端面与所述叶腊石块的端面平齐。

优选的，所述隔离保温层的厚度为0.5-2mm，而所述均热管的厚度为0.5-1.5 mm，所述导电环的厚度为0.2-1.5 mm，且所述外加热管的内径不小于所述隔离保温层端部的内径。

优选的，所述隔离组件包括隔离环和设于所述隔离环两端的隔离片。

优选的，所述内加热环和所述外加热环均为高纯度石墨管。

本发明具有以下优点：本方案采取内外双层结构，进行加热，其中外侧的保温加热组件设置了隔离保温层和位于外加热环内侧的均热管，利用外侧和内侧导热性不同实现内加热环外部环境的均匀高温环境，因此令内加热环加热后形成的温度场也更加均匀，受外界温度变化的影响减小，保证加热效果和高温区域的稳定性。

与此同时，隔离保温层采用氧化锆材料因而不易变形，传压效果好，并具有较好的隔离效果，避免白云石材质的保温层在高压高温环境下向外加热管进行结合渗透，而均热管既具有屏蔽效果，避免隔离组件侵入外加热管，也保证隔离组件和内加热环散热均衡，令隔离组件体积收缩以均衡缓慢的方式收缩，从而避免降温时隔离层变形导致的压力变化不均衡问题。

因此上述结构的合成装置既能保证高温高压区域压力均衡，又能避免隔离层和保温层膨胀变形带来的各区域降温速率差异导致的温度压力变化不均匀。

附图说明

图1为本发明一种双加热层金刚石合成装置的结构示意图。

图2为图1所示结构在A-A方向下的剖视图。

图3为图1所示结构中保温加热组件的结构示意图。

附图中的标记为：1、叶腊石块，2、叶腊石环，3、导电片，4、保温层，5、石墨柱，6、白云石芯，7、导电钢碗，8、隔离环，9、隔离保温层，10、外加热环，11、内加热环，12、导电环，13、均热管，14、隔离片，15、保温加热组件。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和伸入的理解。

如图1-3所示，本发明提供一种双加热层金刚石合成装置，包括叶腊石块1、所述叶腊石块1中心设有圆柱状的合成腔体，所述合成腔体内设有白云石材质的保温层4和贴合在所述保温层4内侧呈环形结构的保温加热组件15，所述保温加热组件15包括外加热环10、包覆在所述外加热环10外侧和上下两端的隔离保温层9和设于所述隔离保温层9上下两端的嵌入式导电环12，所述导电环12通过穿过所述隔离保温层9的凸出电极与所述外加热环10紧密接触，所述保温加热组件15内侧设有与所述外加热环10紧密贴合的均热管13，所述均热管13内侧与内加热环11紧密接触，所述内加热环11内侧设有隔离组件并与所述隔离组件紧密接触，所述隔离组件包括隔离环8和设于所述隔离环8两端的隔离片14，所述隔离组件紧密包围在石墨柱5外侧。所述隔离组件、内加热环11、均热管13和所述保温加热组件15四者的端面平齐，所述合成腔体还设有一对导电结构，所述导电结构压在所述内加热环11和所述保温加热组件15端部。一个所述导电结构包括导电片3、导电钢碗7和白云石芯6，所述导电钢碗7内均填充有所述白云石芯6，所述导电片3压在所述内加热环11和所述保温加热组件15端部，所述导电钢碗7压在所述导电片3上。叶腊石环2套在所述导电钢碗7外侧，且所述叶腊石环2的外端面与所述叶腊石块1的端面平齐。

所述叶腊石环2和所述叶腊石块1结合形成包围所述合成腔体的传压保温结构。所述隔离保温层9的端面设有与所述导电环12形状匹配的嵌入槽，所述导电环12嵌入所述嵌入槽中且所述导电环12顶部不低于所述隔离保温层9的端面，所述凸出电极与所述导电环12一体化，并沿所述导电环12底面周向均匀设置。所述导电结构作用是同时与内加热环11的端面和所述保温加热组件15中的导电环12压紧导电，实现隔离组件和外加热环10的同时导电加热。所述隔离保温层9的厚度为0.5-2mm，而所述均热管13的厚度为0.5-1.5 mm，所述导电环12的厚度为0.2-1.5 mm，且所述外加热管的内径不小于所述隔离保温层9端部的内径。这样能有效保证保温加热组件15的导电和导热效果，维持保温加热的功能。

隔离保温层9采用氧化锆材料制成，而均热管13采用高熔点金属材料，如钼、钽、铌、钛等，导电环12也采用类似的高熔点金属材料，本实施例中均热管13为钼管，导电环12则为钛合金制成。所述内加热环11和所述外加热环10均为高纯度石墨管，石墨管在加热过程中热膨胀系数小，有效保证加热管形态稳定。

在导热过程中，氧化锆具有保温效果，外加热管均匀产生的热量大部分传递至均热管13并产生均热效果，即使外部白云石制成的保温层4发生变形或叶腊石产生相变，导致局部保温效果发生变化，经外加热环10加热产生的热量由于隔离保温层9的作用也能继续为内加热环11提供较高的外部温度环境。同时，在加热时由于导热性较好的均热管13将外加热环10产生的热量进行均匀传递，令内加热环11外形成温度均匀的外环境，因此令内加热环11加热后形成的温度场也更加均匀，受外界温度变化的影响减小，保证加热效果和高温区域的稳定性。

均热管13快速传递热量令外界温度保持均衡的效果在停止加热后的散热过程也有相同效果，通过均热管13令保温加热组件15的各部分温度保持均衡，同时隔离保温层9减缓温度散失的过程，即使白云石材质的保温层发生变形导致散热效果不均匀，也因为温度散失较慢而避免局部温差过大，减小了散热过程温度的不均衡性。

所述氧化锆材料不易变形，传压效果好，并具有较好的隔离效果，避免白云石材质的保温层在高压高温环境下向外加热管进行结合渗透，因此也避免了压力变化时对外加热管的影响，同时保证了对内部高温高压区域的压力维持作用。隔离片14和隔离环8均由氯化钠和炭墨材料制成，能在合成温度下会呈熔融态，起到等静压的传压效果，同时氯化钠熔融后体积会膨胀，可抵消部分叶腊石高温相变造成的体积压缩，使合成腔体内压力场趋于稳定状态。而均热管13在这种情况下还能对隔离组件起屏蔽效果，避免其在合成环境下侵入外加热环10，均热管13的均衡降温也保证隔离组件和内加热环11散热均衡，令隔离组件体积收缩以均衡缓慢的方式收缩，从而避免降温时隔离层变形导致的压力变化不均衡问题。

导热环的结构令其与外加热环10的接触面积减小，在保证导电效果的情况下减少外加热环10从端部散失的热量，一方面减少热量散失，同时也令均热管13起到更好的均热效果，避免均热管13和外加热管都由于端部散热较快导致热量分布不均的问题。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双加热层金刚石合成装置，包括叶腊石块(1)、所述叶腊石块(1)中心设有圆柱状的合成腔体，其特征在于：所述合成腔体内设有保温层(4)和位于所述保温层(4)内侧的保温加热组件(15)，所述保温加热组件(15)包括外加热环(10)、包覆在所述外加热环(10)外侧和上下两端的隔离保温层(9)和设于所述隔离保温层(9)上下两端的嵌入式导电环(12)，所述导电环(12)通过穿过所述隔离保温层(9)的凸出电极与所述外加热环(10)紧密接触，所述保温加热组件(15)内侧设有与所述外加热环(10)紧密贴合的均热管(13)，所述均热管(13)内侧与内加热环(11)紧密接触，所述内加热环(11)内侧设有隔离组件并与所述隔离组件紧密接触，所述隔离组件紧密包围在石墨柱(5)外侧，所述合成腔体还设有一对导电结构，所述导电结构压在所述内加热环(11)和所述保温加热组件(15)端部；

所述隔离保温层(9)采用氧化锆材料制成，所述均热管(13)和所述导电环(12)采用高熔点金属材料制成；

氧化锆材料不易变形，避免白云石材质的保温层在高压高温环境下向外加热环(10)进行结合渗透。

2.根据权利要求1所述的一种双加热层金刚石合成装置，其特征在于：所述隔离保温层(9)的端面设有与所述导电环(12)形状匹配的嵌入槽，所述导电环(12)嵌入所述嵌入槽中且所述导电环(12)顶部不低于所述隔离保温层(9)的端面，所述凸出电极与所述导电环(12)一体化，并沿所述导电环(12)底面周向均匀设置。

3.根据权利要求1所述的一种双加热层金刚石合成装置，其特征在于：所述导电结构包括导电片(3)、导电钢碗(7)和白云石芯(6)，所述导电钢碗(7)内均填充有所述白云石芯(6)，所述导电钢碗(7)压在所述导电片(3)上。

4.根据权利要求3所述的一种双加热层金刚石合成装置，其特征在于：所述隔离组件、所述内加热环(11)、所述均热管(13)和所述保温加热组件(15)四者的端面平齐，所述导电片(3)同时与所述内加热环(11)端部和所述导电环(12)紧密接触。

5.根据权利要求4所述的一种双加热层金刚石合成装置，其特征在于：叶腊石环(2)套在所述导电钢碗(7)外侧，且所述叶腊石环(2)的外端面与所述叶腊石块(1)的端面平齐。

6.根据权利要求2所述的一种双加热层金刚石合成装置，其特征在于：所述隔离保温层(9)的厚度为0.5-2mm，而所述均热管(13)的厚度为0.5-1.5 mm，所述导电环(12)的厚度为0.2-1.5 mm，且所述外加热环(10)的内径不小于所述隔离保温层(9)端部的内径。

7.根据权利要求5所述的一种双加热层金刚石合成装置，其特征在于：所述隔离组件包括隔离环(8)和设于所述隔离环(8)两端的隔离片(14)。

8.根据权利要求1所述的一种双加热层金刚石合成装置，其特征在于：所述内加热环(11)和所述外加热环(10)均为高纯度石墨管。