CS204352B1

CS204352B1 - Heating graphite cell

Info

Publication number: CS204352B1
Application number: CS239278A
Authority: CS
Inventors: Jan Petricko
Original assignee: Jan Petricko
Priority date: 1979-12-12
Filing date: 1979-12-12
Publication date: 1981-04-30

Description

Vynález se týká ohřevového grafitového článku pro nejpřímý nebo kombinovaný ohřev obsahu vysokotlaké komory při syntéze diamantu, kubického nitridu boru, polykrystalu diamantu či kubického nitridu boru se zlepšeným průběhem teplotní křivky v axiálním i radiálním směru a zvýšenou kapacitou vysokotlaké komory.The invention relates to a heating graphite element for the direct or combined heating of a high pressure chamber content in the synthesis of diamond, cubic boron nitride, diamond polycrystalline or cubic boron nitride with improved axial and radial direction curves and increased high pressure chamber capacity.

V případě syntézy diamantu se ohřev provádí přímým odporovým ohřevem soustavy reakčníhó článku, sestávajícího z jednotlivých vrstev grafitu a katalyzátoru. Soustava těchto součástí se vyznačuje jak požadovaným odporem, tak i patřičnou vodivostí. V tomto případě je přímý odporový ohřev reakčníhó článku i při vysokých tlacích jednoduchý. Při vysokotlaké syntéze látek, jejichž vlastnosti neumožňují přímý odporový ohřev, je tento prováděn nepřímo, t. j. nejčastěji grafitovým článkem ve formě trubičky o síle stěny 0,5 až 1,5 mm, nebo vhodným vysokotajícím kovem jako jsou titan, molybden a podobně opět ve formě trubičky o síle'0,2 až 1,0 mm. Tato je naplněna jednotlivými součástmi reakčníhó článku a v některých případech i heterogenní látkou ve formě výlisku o velikosti otvoru buď grafitové, nebo i kovové trubičky. V některých případech je provedeno topení středem reakčníhó článku, ne j častěji formou grafitového válečku nebo soustav válečků rovnoběžných s osou reakčníhó článku. Průměr' těchto válečků je ovlivněn velikostí vysokotlaké komory a dosahuje průměru až 10 mm. V případě syntézy na velkých komorách o průměru 35 mm a více je mnohdy použito i kombinace těchto ohřevů, t. j. trubičky z grafitu nebo kovu a dále pak i grafitový či kovový váleček vhodných vlastností, který je umístěn v otvoru předliso váném v materiálu, jenž je podroben vysokému tlaku a teplotě.In the case of diamond synthesis, heating is carried out by direct resistance heating of a reaction cell assembly consisting of individual layers of graphite and a catalyst. The system of these components is characterized by both required resistance and proper conductivity. In this case, the direct resistance heating of the reaction cell at high pressures is simple. In the high-pressure synthesis of substances whose properties do not allow direct resistance heating, this is carried out indirectly, ie most often by a graphite element in the form of a tube with a wall thickness of 0.5 to 1.5 mm, or by suitable high-melting metal such as titanium, molybdenum and the like 0.2 to 1.0 mm thick tubes. It is filled with the individual components of the reaction cell and in some cases with a heterogeneous substance in the form of a molding with a hole size of either graphite or even a metal tube. In some cases, heating is performed through the center of the reaction cell, more often in the form of a graphite roller or a set of rollers parallel to the axis of the reaction cell. The diameter of these rollers is influenced by the size of the high pressure chamber and reaches a diameter of up to 10 mm. In the case of synthesis on large chambers with a diameter of 35 mm or more, a combination of these heaters is often used, ie a tube of graphite or metal and a graphite or metal cylinder of suitable properties, which is located in a hole preformed in the material subjected to high pressure and temperature.

Značnou nevýhodou těchto systémů jsou vysoké výrobní náklady a navíc pak elementy, pomocí nichž se provádí ohřev, zabírají ve vysokotlaké komoře značný objem a snižují tak vlastně výtěžnost, což je z hlediska vysokého nákladu na zařízení a dále také na cenu lisovacího nástroje při jeho limitované životnosti jev zcela nežádoucí. U klasického odporového ohřevu reakčníhó článku při syntéze diamantu dochází navíc k nežádoucímu vnikání materiálu těsnění, (např. pyrofylitu nebo břidlice, mezi součásti reakčníhó článku, t. j. grafitových kotoučků a katalyzátorů, vyrobených rovněž ve formě kotoučků, takže je možno zcela zřetelně pozorovat nezreagované povrchové oblasti reakčníhó článku. Tento jev je dále ovlivněn i vysokým odvodem tepla do matrice a razníků lisovacího nástroje, což se projevuje v přilehlých částech reakčníhó článku podmínkami nevhodnými pro vývoj kva204352 litního diamantového zrna a tudíž dochází i z tohoto důvodu ke zbytečným ztrátám. K velkým nevýhodám tohoto systému patří.A considerable disadvantage of these systems is the high production costs and, in addition, the heating elements occupy a large volume in the high-pressure chamber and thus actually reduce the yield, which is in terms of high equipment cost and also the cost of the die during its limited service life. completely undesirable phenomenon. In addition, the classical resistance heating of the reaction element during diamond synthesis results in undesirable penetration of the gasket material (eg pyrophyllite or slate) between the reaction element components, i.e. graphite discs and catalysts also produced in disc form, so that unreacted surface areas can be clearly observed This phenomenon is further influenced by the high heat dissipation into the die and the punches of the die, which is reflected in adjacent parts of the reaction cell by conditions unsuitable for the development of the quartz diamond grain and therefore unnecessary losses occur. belongs.

vliv kyslíku, který se do prostoru reakčního článku dostane z krystalické vody, vázané za. normálních podmínek v materiálu těsnění, k jejímuž rozpadu dochází při vysokém pracovním tlaku a teplotě vysokotlaké komory. Kyslík pak opět nežádoucím způsobem ovlivňuje, kvalitu produktu vysokotlaké a vysokoteplotní syntézy.the effect of oxygen that enters the space of the reaction cell from the crystalline water bound to the. under normal conditions in the gasket material, which breaks down at high working pressure and high pressure chamber temperature. Oxygen then in turn adversely affects the quality of the high-pressure and high-temperature synthesis product.

Uvedené nevýhody odstraňuje ohřevový grafitový článek pro nepřímý nebo kombinovaný ohřev obsahu vysokotlaké komory při syntéze diamantu kubického nitridu boru, polykrystalu diamantu, polykrystalu kubického nitridu boru se zlepšeným průběhem teplotní křivky v axiálním i radiálním směru a zvýšenou kapacitou vysokotlaké komory podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že je tvořen vícevrstvým snímatelným grafitovým obalem o síle jedné vrstvy 0,02 až mm, jehož měrná hmotnost je v rozsahu 0,9 až 1,5 g/cm³ s obsahem grafitu ve vrstvě do 99,9 % a při specifickém odporu vrstev v rozsahu 1,5.10^{1 !}až 17 . ΙΟ⁴ Ω cm. Výhodou ohřevového grafitového článku dle vynálezu je podstatně lepší průběh teplotní křivky v reakčním článku v průběhu syntézy, dále pak zabránění nežádoucí difuse zplodin vznikajících při vysokém tlaku a teplotě z materiálu součástí těsnění komory, výrazné zvýšení plnícího faktoru komory, obzvláště výrazné při nepřímém ohřevu náplně komory při syntéze kubického nitridu boru nebo při výrobě polykrystalu diamantu a jiných látek, podrobených vysokým tlakům a teplotám, u nichž přímý ohřev nepřipadá v úvahu. U přímého odporového ohřevu reakčního článku je tímto přídavným grafitovým obalem možno zabránit reakci mezi materiálem těsnění a samotným reakčním článkem, což má za následek nejen lepší kvalitu produktu, ale i vyšší výtěžnost velmi žádaných druhů diamantu.These disadvantages are overcome by a heating graphite element for indirect or combined heating of the high pressure chamber content in the synthesis of cubic boron nitride diamond, diamond polycrystalline, cubic boron nitride polycrystalline with improved axial and radial direction curves and increased high pressure chamber capacity. in that it consists of a multilayer removable graphite coating with a single layer thickness of 0,02 to mm whose specific gravity is in the range 0,9 to 1,5 g / cm ³ with a graphite content in the layer of up to 99,9% and at a specific layer resistance in the range of 1.5.10 ^1! to 17. ΙΟ ⁴ cm. The advantage of the heating graphite element according to the invention is that the temperature curve in the reaction element during the synthesis is substantially better, and that the undesirable diffusion of the fumes produced at high pressure and the temperature of the chamber seal material is significantly improved. in the synthesis of cubic boron nitride or in the manufacture of polycrystals of diamond and other substances subjected to high pressures and temperatures for which direct heating is not an option. In the direct resistance heating of the reaction element, this additional graphite coating can prevent the reaction between the seal material and the reaction element itself, resulting not only in better product quality but also in higher yields of the highly desired diamond types.

Ohřevový grafitový článek podle vynálezu lze prakticky použít při výrobě materiálů vyráběných vysokotlakou technikou následovně.The heating graphite element according to the invention can be practically used in the production of materials produced by high pressure technology as follows.

Například při syntéze diamantu, u které je zatím používáno přímého ohřevu, je reakční článek obalen jednou nebo více grafitovými vrstvami s výhodou o síle 0,1 až 0,5 mm. Tímto způsobem dosáhneme kombinovaného ohřevu a tudíž zlepšíme teplotní poměry v reakčním článku natolik, že dojde k přeměně grafitu n^!a diamant i v oblastech těsně přiléhajících k použitému těsnícímu materiálu, například pyrofylitu. Zároveň článek zabraňuje vniknutí jak materiálu těsnění, tak i zplodin vznikajících z materiálu těsnění při vysokých tlacích a teplotách do prostoru reakčního článku a tudíž ovlivňuje i kvalitu konečného produktu syntézy. Použitý článek tudíž odstraňuje nepříznivý vliv kyslíku jako katalytického jedu na produkty syntézy.For example, in the synthesis of a diamond in which direct heating has been used so far, the reaction element is coated with one or more graphite layers, preferably 0.1 to 0.5 mm thick. In this way, we achieve a combined heating and hence improve the temperature conditions in the reaction cell so that the graphite n ^! and diamond even in areas closely adjacent to the sealant used, for example pyrophyllite. At the same time, the cell prevents both the gasket material and the products resulting from the gasket material from entering the reaction cell space at high pressures and temperatures, and thus affects the quality of the final synthesis product. Thus, the cell used eliminates the adverse effect of oxygen as a catalytic poison on the synthesis products.

Při další variantě, to znamená při použití nepřímého ohřevu je možno ohřevovým grafitovým článkem, sestávajícím z jedné nebo více vrstev o síle 0,05 až 0,5 mm se specifickým odporem jednotlivých vrstev tohoto obalu ve směru axiálním v rozsahu 1,5.10~³ až 20.10'⁴ Ω . cm, kdežto ve směru radiálním 1,5 .10'¹ až 9,9 . ΙΟ“² Ω . cm při měrné hmotnosti snímatelného grafitového obalu před použitím, t. j. podrobením vysokým tlakům a teplotám v rozsahu 0,9 až 1,5 g/cm³ a při obsahu grafitu v jednotlivých vrstvách ve výši do 99,9 % je prováděn nepřímý ohřev výlisku, z něhož je při velmi vysokých tlacích a teplotách vyráběn polykrystal ať již na bázi diamantu, kubického nitridu boru, jejich směsí, případně i jiných druhů materiálů vyráběných vysokotlakou technikou, u nichž nelze provést přímý ohřev. Toto není zatím při použití pouzdra vyrobeného z kompaktního grafitu soustružením možné.In another variant, that is to say, using indirect heating, a heating graphite element consisting of one or more layers of 0.05 to 0.5 mm thickness with a specific resistance of the individual layers of this package in the axial direction in the range of 1.5.10 ~ ³ to 20.10 ' ⁴ cm, while in the radial direction of 1.5 .10 ^'1 to 9.9. ' ² . cm at the specific weight of the removable graphite wrapper before use, ie subjected to high pressures and temperatures in the range of 0.9 to 1.5 g / cm ³ and with graphite content in individual layers of up to 99.9%, indirect heating of the compact is performed; in which polycrystalline is produced at very high pressures and temperatures, whether on the basis of diamond, cubic boron nitride, mixtures thereof, or other types of materials produced by high-pressure technology, which cannot be directly heated. This is not yet possible when turning a sleeve made of compact graphite.

U varianty, která vyžaduje zajištění vodivosti i na čelech válcové části náplně reakčního článku, je tato opět pokryta rotačními výstřižky požadovaného průměru o síle 0,05 až 2 mm s odporem vrstvy ve směru osy komory v rozsahu 1,5.10^_1 až 9,9 . ΙΟ’² Ω . om. Při práci s velkými komorami je možno použít při nevodivém reakčním článku kromě samotného grafitového obalu z jedné nebo více vrstev o síle 0,05 až 2 mm navíc vodivý i nevodivý, t. j. grafitový,, kovový nebo keramický váleček o průměru 0,5 až 10 mm, umístěný s výhodou v ose reakčního článku, opatřeného eventuelně rovněž snímatelným grafitovým vícevrstvým obalem o síle jedné vrstvy v rozsahu 0,10 až 0,30 mm. Touto kombinací dojde k ideálnímu rozložení teploty v reakčním článku a to nejen při nevodivých vlastnostech reakční náplně, ale dokonce i v případech, že se jedná o náplň vodivou.In the variant which requires conductivity also on the faces of the cylindrical portion of the reaction cell charge, it is again covered with rotary blanks of the desired diameter of 0.05 to 2 mm with a layer resistance in the direction of the chamber axis in the range of 1.5 ^{x 10} to 9.9. ' ² . om. When working with large chambers, it is possible to use conductive and non-conductive, ie graphite, metal or ceramic cylinders with a diameter of 0,5 to 10 mm preferably located along the axis of the reaction element, optionally provided with a possibly removable graphite multilayer coating having a single layer thickness in the range of 0.10 to 0.30 mm. This combination results in an ideal temperature distribution in the reaction cell, not only for the non-conductive properties of the reaction charge, but even if the charge is conductive.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Heating graphite element for indirect or combined heating of the high-pressure chamber content in the synthesis of diamond, cubic boron nitride, diamond polycrystalline and cubic boron nitride polycrystal with improved temperature curve in both axial and radial direction and increased high-pressure chamber capacity a single layer thickness of 0,02 to 2 mm with a specific gravity of 0,9 to 1,5 g / cm ³ with a graphite content of up to 99,9% and a specific layer resistance of 1,5,10 ^{- 1} to 17.10 ' ⁴ Ω. cm.