JP3491937B2

JP3491937B2 - 圧力下における試料の高速加熱法、この高速加熱法を用いたダイヤモンド成長法およびその装置

Info

Publication number: JP3491937B2
Application number: JP30505093A
Authority: JP
Inventors: デイーン・エム．マシユーズ
Original assignee: Tomei Diamond Co Ltd
Current assignee: Tomei Diamond Co Ltd
Priority date: 1992-12-07
Filing date: 1993-12-06
Publication date: 2004-02-03
Anticipated expiration: 2019-02-03
Also published as: JPH06226078A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は粉末コンパクト（圧密
体）に、圧力および短持続時間高強度のパルス電流を加
えることにより、コンパクトの緻密化や相変化を達成す
る方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高静圧下における材料の高速直接抵抗加
熱法の先行技術の例としては、ジャーナル・オブ・ケミ
カル・フィジックス(Journal of Chemical Physics)
誌、38巻3号、618〜630および631〜643頁、および米国
特許第3,488,153号に記載された、Bundyの研究が挙げら
れる。Bundyは、低電圧コンデンサーバンクを用いて、
高静圧下でグラファイト、およびグラファイトとダイヤ
モンドとの混合物からなる試料の加熱を行なっている。
この場合のプレスと電源の電気的特徴は、印加されるパ
ルスの持続時間がミリ秒(ms)のオーダーだということで
ある。Bundyが用いている試料は、直径および長さが共
に約1mmである。この試料の寸法とパルスの持続時間と
の組合せにより、試料及び試料容器に関しては本質的に
断熱的な加熱が行なわれる。しかしこの加熱は、厳密な
意味では断熱的ではなく、準断熱的である。通電により
物体を加熱するためにはある有限の時間が必要なので、
被加熱物体から、これと接触していたりあるいは導電材
中に埋め込まれたりしている誘電材へ、いくらかの熱が
流れてしまう。加熱工程が終わるまでに熱が浸透する深
さは、この誘電材の熱拡散距離を計算することにより推
定できる。熱拡散距離は、熱拡散率と加熱過程の持続時
間との積の平方根に等しい。誘電・導電物複合材の加熱
が準断熱的と言えるかどうかは、またこれら両相の大き
さと分布に依存する。誘電性の外方円筒内に同心的に配
置された導電性の円筒について考えると、この加熱は、
外方円筒内の熱拡散距離に比べて内方円筒の半径が十分
に大きい時だけ、準断熱的と言うことができる。均一な
大きさの球状誘電材が均一な分布で内方円筒中に埋め込
まれている場合には、球体内の熱拡散距離が球体間の表
面隔離距離に比べて十分に小さい時だけ、準断熱的と言
える。

【０００２】加熱が断熱的とみなされるためには、導電
相中で発生した熱のかなりの部分が、電流パルスの終端
においてもなお、導電相中に留まっていなければならな
い。したがって、一定のパルス持続時間について、粉末
コンパクト中に使用して準断熱的に加熱できる導電相の
粒度には、下限が存在する。Bundyのシステムに関して
言えば、パイロフィライトに包囲されたグラファイト円
筒の加熱は準断熱的ではあったが、ダイヤモンド粒子を
埋め込んだグラファイト円筒の加熱は、準断熱的ではな
かった。Bundyの装置では、パルス持続時間が1msを超え
るので、微小スケールで準断熱的加熱をする能力は小さ
い。

【０００３】Bundyの圧力装置に付随された電源のタイ
プに関わりなく、プレス構造体自体も、高速パルス加熱
システム用として考えると、Matthewsの開示したシステ
ムと比較して、インダクタンスが大きすぎる。

【０００４】Bundyが用いているシステムの別の制約
は、系から気相汚染物質が除去できないことである。系
には汚染源が３種類ある。第一のものは、加圧前のチャ
ンバーアセンブリーの隙間および孔内に残留している、
大気に由来するガスである。第二のものは露出された表
面に吸着しているガスである。第三の汚染源は、かなり
の量の湿気を含んでいるパイロフィライト製ガスケット
である。

【０００５】材料を高速加熱処理する際には、平衡条件
下のように、汚染物質が偏析するための時間は、ほとん
どない。したがって、高速溶融・凝固を行なうには、よ
り厳格な初期汚染の制御が要求される。

【０００６】研究目的のためには、ダイヤモンドや窒化
硼素のような材料の処理にBundyのパルス加熱システム
が使用されてきているが、切削工具や線引きダイスに用
いられる硬質耐火物の大半は、より一般的でより経済的
な工程であるホットプレス法や、常圧または減圧下にお
ける焼結によって製造されている。

【０００７】誘電性の半導体相と導電相との組合せで製
作できる産業的に有用な物質が多数ある。誘電性乃至半
導体耐火物の例としては酸化アルミニウム、酸化ジルコ
ニウム、酸化珪素、窒化珪素、ダイヤモンドおよび炭化
硼素が挙げられ、また導電体として使用し得る耐火物の
例としては窒化チタン、炭化チタン、二硼化チタン、炭
化タングステン、炭化タンタル、窒化タンタル、炭化ハ
フニウム、窒化ハフニウム、炭化ニオブ、および窒化ニ
オブが挙げられる。出発物質が耐火性であることから、
複合材の製造は通常、粉末コンパクトを、決まった一連
の圧力温度に供して緻密化することにより、行なわれて
いる。典型的な工程は、通常、コンパクト内に大きな温
度差のない、平衡条件乃至その近くで実施されている。
従来の工程の特徴は、分または時間単位の工程を要する
ことである。場合によっては、温度・圧力条件を低下さ
せたり、時間を短縮するために、焼結補助剤が添加され
ることもある。焼結補助剤の使用による緻密化は、通
常、材料の物性を犠牲にして得られている。

【０００８】例えば、窒化珪素は切削工具およびタービ
ンに使用されている耐火誘電性材料である。純粋な窒化
珪素の焼結およびホットプレスは非常に困難であり、そ
の結果、緻密な物体を得るためには通常、焼結補助剤が
使用されている。窒化珪素の緻密化という問題を島田が
研究している：セラミック・ブレティン(Ceramic Bulle
tin)第65巻8号(1986年)、1153〜55頁、セラミックス・
インターナショナル(Ceramics International)第8巻3号
(1982年)、93〜98頁、およびジャーナル・オブ・アメリ
カン・セラミックス・ソサイアティ(J. Am. Ceram. So
c.)第68巻2号C-38〜C-40頁。

【０００９】導電性の窒化珪素の製造法が、米国特許第
4,659,508号に記載されている。この窒化珪素複合材
は、窒化チタンまたは炭化チタンが添加されていること
により、放電加工による加工が可能な点で新規である。
しかしその調製には、依然として焼結補助材が用いられ
ている。

【００１０】多結晶ダイヤモンド(ＰＣＤ)コンパクトの
製造は確立された技術であるが、これは、ダイヤモンド
がグラファイト化しないように超高圧下、あるいは短時
間の加熱において、中乃至高圧下で実施しなければなら
ない。中乃至高圧および短時間加熱の使用は、米国特許
第4,097,274号に記載されている。この工程では、加熱
速度は1000Ｋ／秒以下で、ピーク温度保持時間は数分の
オーダーである。

【００１１】先行技術では高速加熱および短時間ピーク
温度の利点が認識されているにも拘らず、非常な大電力
パルス加熱による微小スケールでの準断熱的加熱という
着想および手段は、耐火材成形体の製造用としては考慮
されていない。また、高速熱処理に関連した汚染問題に
対しても、適切な取り組みがなされていない。

【００１２】

【本発明が解決しようとする課題】本発明は一面におい
て、高圧下で試料を加熱するに際して、試料を包囲する
周囲の部材への熱の伝達・散逸を防ぐことにより、部材
の熱負荷による強度低下を防止し、加圧の確実化、また
は部材寿命の向上を図るものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、導電性材料と
誘電乃至半導体材料とから成る複合材内の緻密化および
／または相変化を達成するための方法及び装置を提供た
る。本発明の方法においては、導電性材料粉末および誘
電乃至半導体性材料粉末を、所望最終製品に相当する比
率で混合し、これを電気的に絶縁したダイ中に置く。次
にダイを、吸着水分の除去に十分な真空度、時間、温度
に供する。

【００１４】室温まで冷却した後、ダイ中の試料に圧力
を負荷し、成分粉末の緊密な充填を行なう。この粉末成
形体を、短持続時間の大電流パルスに供する。パルスを
供給する電源およびプレスの設計は、誘電相およびダイ
壁へ逃げる熱量が最小で、所望温度に加熱されるように
なされている。この時の緻密化は一つまたは二つの機構
によって進行する。第一の機構は、導電相の軟化乃至溶
融であり、これにより導電相が誘電相粒子間に流入し、
こうして空隙が充填される。第二の機構は、加熱された
導電相との接点における誘電相の軟化乃至溶融、および
それに続く軟化乃至溶融した誘電相の空隙への流入・充
填である。いずれの場合にも、成形体の緻密化は誘電相
と導電相間で平衡が達成される前に、完成する。冷却
し、ダイから取り出せばもう、成形体は最終的な熱処
理、または形状加工、例えばアニーリングや放電加工に
供することができる。

【００１５】本発明にはまた、本発明方法を用いて作成
された導電・誘電複合材および導電・半導体複合材も含
まれる。

【００１６】本発明は導電材と誘電材との複合材の作成
に使用するのが好ましいが、導電相、半導体相および誘
電相からなる出発物質から、単一相材料の製造にも使用
できる。

【００１７】本発明はまた、ある物質の導電相を同物質
の誘電相へ、例えばグラファイトをダイヤモンドへ変換
するのにも使用できる。

【００１８】本発明の目的は、緻密な誘電・導電材複合
材のような物質を新規な方法により提供することにあ
る。この方法は、非常に高速で準断熱的な加熱、および
導電、半導体、および誘電の各相間で熱的平衡に到達す
る前に、緻密化を行うことを特徴とする。

【００１９】本発明の別の目的は、ダイヤモンド種晶を
グラファイト中に埋め込み、周囲のグラファイトを急速
に溶融することにより、この種晶上にダイヤモンドを成
長させることである。3GPa以上の適切な圧力下では、こ
の種晶は溶融炭素をグラファイト化することなく冷却さ
せるるための、ヒートシンクおよび核形成の場所の両者
として働く。

【００２０】本発明はまた、粉末成形体に吸着している
水分、水素、酸素、その他のガスのような汚染物質を加
圧に先立ち、または加圧中に除去する方法を提供するこ
とも、目的の一つとしている。

【００２１】本発明の別の目的は、焼結補助剤、例えば
窒化珪素や窒化チタンを用いることなく、緻密な耐火セ
ラミック複合材を製造することである。

【００２２】本発明のさらに別の目的は、超高圧高温工
程に適合されたプレス構造体および電力供給のための完
全な設計を提供することによって、超高速加熱能高圧装
置および急速加熱工程が直面する特有の不純物問題を、
最小限に抑えることである。

【００２３】本発明のさらに別の目的は、制御された雰
囲気中で、継続時間が非常に短い強力パルス電流で試料
を加熱することができる、直接抵抗加熱ホットプレス工
程用の高性能の装置を提供することにある。

【００２４】本発明のさらに別の目的は、インダクタン
スおよび抵抗が非常に小さな電気経路を有する、プレス
挿入部材を提供することにある。

【００２５】本発明のさらに別の目的は、電流経路の電
気的特徴を劣化させることなく、試料に大きな機械的荷
重の付加を容易化することにある。

【００２６】さらに別の目的は、高圧加熱工程に先立
ち、また工程中に周囲の反応室の真空引きを行なうこと
により、汚染問題を最小限に抑制することにある。

【００２７】本発明のこの外の目的および達成される効
果は、以下の好適な実施形態を考慮することによって、
明かになるであろう。

【００２８】本発明の方法的側面は、誘電材と導電材と
の混合粉末の緻密化、および／またはこの混合粉末中に
相変化を生ぜしめ、あるいは類似の目的に利用可能な技
術であって、次の各工程を含む： (a) 電気抵抗が大幅に異なる２種類の材料を混合する。 (b) これらの材料を、電気的に絶縁されたダイ中に置
く。 (c) 吸着した水分および雰囲気ガスの除去に十分な温度
に加熱する一方で、ダイを真空に供する。 (d) 混合粉末を室温まで冷却させる。 (e) これらの材料を加圧する。 (f) 材料に電気パルスを加える。 (g) 圧力を抜き、材料を冷却させる。

【００２９】好適な実施形態としては一般に、材料を混
合して誘電相と導電相との均一な分布を行なうのが望ま
しい。

【００３０】これら２種類の材料の比(電気)抵抗は、互
いに少なくとも1000の比率で異なることが好ましい。

【００３１】より好ましくは、試料を収容するダイは耐
火物製で、収容された材料と急速に反応しないものとす
べきである。

【００３２】脱ガスのための真空度は133Pa以下から効
果が認め得るが、顕著となるのは1Pa以下、特に厳密な
汚染物の制御を要する場合には10^-2Pa以下で行なうのが
好ましい。

【００３３】電流供給源はマルクス(Marx)型発電機、コ
ンデンサーバンク、または単極(homopolar)発電機とす
るのが好ましい。

【００３４】加える圧力は、十分に緻密な物体を生成
し、かつ望ましくない相変化を防ぐのに、十分なものと
するのが好ましい。

【００３５】好適な実施形態においては、電流供給源、
プレス構造体、および被加圧材料のキャパシタンス、イ
ンダクタンスおよび抵抗は、パルス持続時間が短く、パ
ルスが完了するまでに誘電相へ逃げる熱損失が最小限と
なるような、等価回路を構成するように選択される。

【００３６】また好ましくは、パルスのエネルギーは成
形体中の導電相を溶融または軟化したり、これに引き続
く相間での熱伝達の際に、導電相と接している誘電相の
局部的溶融または軟化を生じさせるのに十分な熱を導電
相中に発生し得るように設定する。

【００３７】好適な実施形態においては、加えられる圧
力、パルスエネルギーおよびパルス持続時間は、局部的
な相間の熱平衡に達する前に、材料の緻密化を来すのに
十分なものとすべきである。

【００３８】必須ではないが、本発明においては全ての
場合に、材料中に熱平衡が達成されたら直ちに圧力を幾
分低下させ、これによって材料が冷却する時に材料から
熱を吸収するダイ集合体の機械的応力を減少するように
するのが好ましい。次に本発明を好適な装置の例および
実施例により説明する。

【００３９】ここに示した構成例は本発明をこれらの組
合せに限定するためのものではない。またこれらは基本
的に、本発明者の1990年12月6日付米国出願「パルス電力
加熱真空炉(出願番号09087)」に記載されたものであり、
この装置のための好適な設計および材料は上記の出願に
記載されているが、本発明においてはいくつかの点で改
良が加えられている。

【００４０】本発明の好適な実施形態の一つは、図１に
概略図示したような高温高圧装置であり、全体を参照符
号１０で示す。これは、超高圧下で所望の試料１１を、
パルス電力による高温加熱ができるように適応されてお
り、基本的に、材料の研究・試験また高温高圧生成条件
を必要とするダイヤモンドや高圧相窒化硼素のような、
ある種の材料の調製への適用が可能である。

【００４１】好適な実施形態は、プレス挿入部材１２、
液圧プレス１４および真空系１８を有する。これらのア
センブリーのうち、液圧プレス１４、パルス電力供給系
１６および真空系１８の本質は、全体的に従来型のもの
であり、ここでは詳細には説明しない。しかし特に図２
〜５に示すプレス挿入部材１２は、従来の構造にみられ
ない特徴を有する。電力供給系は本質的に、図１に示す
ような従来のものでも、あるいは図４に示すような特殊
な構成のものであってもよい。

【００４２】液圧プレスは１４およびプレス挿入部材１
２は包囲体としてのプレスフレーム２０内に収容されて
いる。フレーム２０はプレス作動中は大きな機械的負荷
に供されるので、高剛性設計にて構成される。これには
厚手の鋼板をくり抜いて作成したフレーム板の積層構造
等、いくつかの公知の設計が利用可能である。これは例
えば特公昭48-26272号公報に記載されている。

【００４３】フレーム２０の頂辺２２の下面には円板状
の上方台座２４が設けられ、プレス挿入部材１２がその
下方の液圧ジャッキ２６により駆動されて液圧が負荷さ
れる時に、プレス挿入部材１２はこの台座２４により支
持される。

【００４４】液圧ジャッキ２６は、上端に下方台座３０
を備えた液圧ラム２８を駆動する。下方台座３０にはプ
レス挿入部材１２が載置されていて、これが上方台座２
４に対して押しつけられる時、プレス挿入部材１２に大
きな機械的圧力が発生する。上下の台座２４，３０はい
ずれも、誘電性材(例えばベークライト)の配置または誘
電性材料で形成することにより、プレス挿入部材１２か
ら外部のプレスフレーム２０または液圧ラム２８へ電力
や熱の伝達を防ぐ構成が採られる。

【００４５】パルス電力供給系１６は電源ユニット３２
を有し、パルス化された電力は基幹導電体３４を経て、
プレス挿入部材１２に供給される。好適な電源ユニット
３２の例としては、低インダクタンス設計のコンデンサ
ーバンクまたは単極(homopolar)発電機が挙げられる。
コンデンサーバンクは、持続時間が1ms以下、数メガジ
ュールまでのパルスを発生することができる。米国特許
第4,816,709号に示されているような単極発電機は、持
続時間が1秒以下で、数十メガジュールを提供すること
ができる。単極発電機は、WeldonとAnstoosが、粉末の
燒結のために使用している(ジャーナル・オブ・メカニ
カル・ワーキング・テクノロジー(Journalof Mecahnica
l Working Technology), 20 (1989年), 353〜363頁)。
単極発電機ではエネルギー貯蔵容量は大きいが、これら
は実効インダクタンスおよびキャパシタンスが大きいた
め、高速パルスシステムには不適である。

【００４６】複雑さおよび効率の点では不利になるが、
単極発電機の時間応答向上のために、パルス形成ネット
ワークを用いることができる。適切なタイプの電源ユニ
ット３２および図示した基幹導電体３４の代替構成の性
状および特徴については、後記において図３を参照しな
がら、より詳細に説明する。

【００４７】真空系１８の真空ポンプ３６は従来型のも
のであるが、これは挿入部材１２の外側にあり、配管３
８により挿入部材１２と連結されている。

【００４８】プレス挿入部材の別の好適な実施形態を、
図２に断面で示す。この図に見られるように、プレス挿
入部材１２は異なる機能を持つ各種の要素で構成され、
それぞれ協同しあって装置固有の目的のために働く。図
２に示したプレス挿入部材は試料１１を囲む構造を採っ
ている。

【００４９】図２に見られるように、プレス挿入部材１
２は、上方台座２４に関して本質的に不動の固定加圧構
成体４０と、液圧ラム２８の作動により固定加圧構成体
に関して移動される可動加圧構成体４２を有する。固定
加圧構成体４０と可動加圧構成体４２とは可動結合具４
４で結合されているが、この可動加圧構成体４４は各加
圧構成体と共に、プレス挿入部材内に真空室４６を限定
する。真空室４６は真空配管３８に接続されており、工
程中には真空室を真空に保って試料の化学的汚染を防止
するようになっている。真空室４６の中心部は試料１１
が配置されるので、試料室４７と称する。

【００５０】固定加圧構成体４０には、フレーム頂辺の
台座２４と隣接支持し合うために、ほぼ円形の中心補強
板４８が配置される。これは、構造体の上方耐荷重面に
機械的支持を与え、供される圧力を減じる作用をする。
固定補強板４８は、焼入れ工具鋼または炭素鋼で構成す
るのが好ましい。

【００５１】試料１１加熱のためのパルス電力が、導電
経路４９上にある試料１１に供給される。導電経路４９
のうち固定加圧構成体４０中にある部分は、第一のクラ
ンプ板５０、第一の導電板５２、誘電性板５４、第二の
導電板５６および第二のクランプ板５８から成る層状構
造体内にある。これらの各層は図２に示すように、第一
・第二のクランプボルト６０，６２により互いに隣接す
る平行層として保持されている。この構造体は幅広平面
状構造を有するので、非常に広く、したがってインダク
タンスおよび抵抗の小さな電気の経路が、プレス挿入部
材１２内に構成される。この結果、導電経路のインダク
タンスおよび抵抗が最小限に抑えられる。

【００５２】第一導電板５２、誘電板５４、および第二
導電板５６で構成される平行板導電ラインは、上方およ
び下方のクランプ５０，５８により機械的支持が与えら
れる。導電各要素にはパルス電源３２から大電流が供給
され、各部材間に大きな荷重が加わることがあるが、こ
のような時でも、平行板導電ライン各部材間の移動を制
限するクランプ板５０，５８の作用により、ずれが防止
される。このクランプ板による導電板間のずれ抑制がな
いと、導電部材が反りや変形によって損傷を受けたり、
あるいは試料へ供給されるエネルギーが不足する恐れが
ある。この理由から、クランプ板５０，５８は誘電材で
構成することが特に望ましく、ガラス・エポキシ複合材
のような剛性の誘電材が好ましい。

【００５３】導電経路４９の一部としての第一および第
二の導電板５２，５６は、抵抗が非常に小さくかつイン
ダクタンスが最小限に抑えられるように設計される。こ
の理由から、導電板５２，５６の設計としては、固有抵
抗の小さな材質製の、幅広の平面状構造体が選ばれる。
しかし、大荷重下で変形しないような、充分な強度を持
つ材質を選ぶことも必要である。好適な材質としてはア
ルミニウム、真鍮、銅またはベリリウム銅が挙げられ
る。

【００５４】誘電板５４は、導電板５２，５６を相互に
分離して両者間に放電が生じないようにする。誘電板５
４には、電源３２からのパルス電力の操作電圧に耐える
ような高強度の材質が選ばれ、また導電ラインのインダ
クタンスが最小限になるように、非常に薄いものが選ば
れる。誘電板５４は単層でも、また多層構造であっても
よい。誘電板５４の好適な材料としては、ポリエステル
フィルム、フルオロカーボン、およびポリアミドが挙げ
られる。

【００５５】この多層構造体中に導電経路構造を維持す
るために、第一および第二のクランプボルト６０，６２
が用いられている。クランプボルト６０，６２は電気的
に絶縁されていて、また引張り強さの大きなものが選ば
れる。クランプボルトのための好適な材料としては、ム
クのボルトとしてはナイロンやアセタールが、複合ボル
トとしてはビニールやフルオロカーボンで被覆した鋼材
が挙げられる。

【００５６】固定加圧構成体４０はさらに、試料１１に
圧力を負荷する機構も備えている。その内で最重要なも
のはピストン・中心導電体６４であるが、これは試料１
１に電力を供給する役目も兼ねているので、電気抵抗が
小さく圧縮強さの大きな部材、好ましくはバインダーと
して3〜6％Co含有する炭化タングステンで構成される。
このピストン・中心導電体６４は固定補強板４８と試料
１１との間で機械的荷重を伝達するが、これはまた第一
導電板５２に直接電気的に接続されていて導電経路の一
部を構成する。第一導電板５２とピストン・中心導電体
６４との間の接続は、ロウ付け(半田付け)用合金を用い
てロウ(半田)付けすることによって行なわれる。これら
の合金は電気抵抗が非常に小さく、かつ苛酷な機械的負
荷条件下で発生しうる接合部圧力よりも大きな圧縮強さ
を呈するように、選ばれる。図２に見られるように、固
定補強板４８およびピストン・中心導電体６４とピスト
ン・中心導電体６４の間に配置される第一導電板５２の
一部は、著しい変形を来たさずに、大きな圧縮荷重に抗
するものでなければならない。そうしないと、プレス挿
入部材１２は、上方導電板52が僅か数回程度で使用不可
能な程に変形し、使用不可能に陥ることが推測される。

【００５７】ピストン・中心導電体６４と試料室４７の
間に、ダイ孔ピストン６６が配置されている。ダイ孔ピ
ストン６６とピストン・中心導電体６４との間に、ピス
トンシム６８が配置され、クッションとして働く。ピス
トンシム６８は高圧下で延性を示し、また電気抵抗が小
さい。銅はピストンシム６８の好適な材料である。

【００５８】ダイ孔ピストン６６は、ピストン・中心導
電体６４から試料室４７へ、機械的荷重およびパルス電
流を伝える働きをする。ダイ孔ピストン６６はピストン
・中心導電体６４に比べて直径が著しく小さく、これに
より機械的荷重を集中する働きをする。ダイ孔ピストン
６６は、電気抵抗が小さく、また同時に圧縮強さの大き
なものでなければならない。好適な材料としては、ピス
トン・中心導電体６４の場合と同様に、3〜6％Coを含有
する炭化タングステンである。場合によっては、ダイ孔
ピストン６６を銅または銀でめっきし、電気的性能を向
上させたり、また潤滑性を与えることによって、高圧条
件下における可動加圧構成体４２との間の滑り摩擦を減
じるようにするのが望ましい。

【００５９】ダイ孔ピストン６６と試料１１との境界面
には、ダイ孔頂部シール７０および第一の試料スペーサ
７２が配置される。ダイ孔頂部シール７０は、ダイ孔ピ
ストン６６と試料１１との間で、荷重負荷および電流パ
ルスの両方の伝達を行なう。ダイ孔頂部シール７０は、
延性を呈し、また電気伝導度および熱容量の大きなもの
でなければならない。ダイ孔シール７０は、圧力下で変
形し、試料室４７に適切なシール作用を与えるものでな
ければならない。ダイ孔シール７０はまた、ダイ孔ピス
トンが熱負荷を受ける際に、この熱負荷を軽減し、電気
エネルギーを試料室４７に供給する熱コンデンサーとし
ても働く。第一試料スペーサ７２は試料室４７内の材質
で作成した円板で、負荷荷重および電流パルスの両者を
伝えるのに用いられる。この材質としては、高融点で、
電気抵抗および熱伝導度が低く、かつ熱容量の大きいも
のが選ばれる。試料スペーサ７２は、高温高圧条件下で
試料１１や周囲の材料のどちらとも反応する可能性の非
常に少ないものが選ばれる。第一の試料スペーサのため
の好適な材料としては、Ｗ、Ｍo、Ｔa、およびグラファ
イトが挙げられる。熱容量を向上させるために、スペー
サ７２は、上記材料と融解潜熱の大きな低融点材料との
複合材とすることができる。明確な構成例は、タングス
テンと銅との複合材である。

【００６０】プレス挿入部材１２の試料１１に対する作
用は、固定加圧構成体４０と可動加圧構成体４２との相
互作用によって遂行される。可動加圧構成体４２は、プ
レス挿入部材１２の、固定加圧構成体４０に対して相対
的に可動な部分として定義される。可動加圧構成体４２
は、液圧プレス１４の液圧ラム２８によって、固定加圧
構成体４０に対して押しつけられる。可動加圧構成体４
２はまた、第一導電板５２、ピストン・中心導電体６４
およびダイ孔ピストン６６を経て試料１１へ供給され
る、電気エネルギーのための導電経路４９の復路の部分
を提供する。この理由により、可動加圧構成体４２は固
定加圧構成体４０と、特に第二導電板５６と電気的に接
続されていなければならない。これは可動連結具４４に
よって遂行される。好適な例を挙げると、可動連結具４
４は、銅やベリリウム銅のような低抵抗材で作成された
ベロー(蛇腹)型連結具の構成を採る。

【００６１】可動加圧構成体４２は、機能が固定補強板
４８と類似した可動構成体補強板７４を有する。これは
ラム台座３０と隣接配置されて、液圧ラム２８と試料１
１との間で機械的荷重を伝達する。この補強板７４は、
固定加圧構成体の補強板４８と類似の材料から成り、可
動構成体補強板７４と液圧プレス１４のラム台座３０と
の間の境界面で、機械的圧力を減ずるのに充分なだけの
寸法を有する。

【００６２】可動補強板７４から試料１１の方へ入る
と、次の部材はダイ部材ベース７６であり、これは補強
板７４からベース挿入部材７８へ、機械的荷重を伝達す
る働きをする。ダイ部材ベース７６は、可動加圧構成体
補強板７４とベース挿入部材７８との間で機械的荷重を
伝達すると同時に、パルス電流のための導電経路４９の
一部を構成する。したがってダイ部材ベース７６は、熱
および電気の伝導度に優れ、また機械的強度も良好でな
ければならない。好適な材料としては真鍮、銅およびベ
リリウム銅が挙げられる。

【００６３】ダイ部材ベース７６内にはめ込まれるベー
ス挿入部材７８は、機械的荷重と電流の両者を伝達する
のに用いられている。ベース挿入部材７８は、硬度およ
び圧縮強さが大きく、また電気および熱の伝導度の非常
に高いものが選ばれる。ベース挿入部材７８は、試料室
４７に発生した熱を散逸させる、主要ヒートシンクとし
ての目的のために使用されている。ベース挿入部材７８
のための好適な材料は、ダイ孔ピストン６６およびピス
トン・中心導電体６４と同様、すなわちバインダーとし
て3〜6％Coを含有する炭化タングステンである。

【００６４】ベース挿入部材７８の内面に接してダイ孔
絶縁材８０が配置される。ダイ孔絶縁材８０はリング状
部材であり、試料室４７の半径方向を限定する。ダイ孔
絶縁材８０は、電気的絶縁材として、また熱伝導を減少
するように、配置される。ダイ孔絶縁材８０は、試料室
４７に発生する圧力および温度に抗するために非常に大
きな強度を有し、また融点の非常に高いものが選ばれ
る。ダイ孔絶縁材８０のための好適な材料は、酸化アル
ミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、窒化
ホウ素または高抵抗炭化ケイ素のような耐火物セラミッ
クス、またはこれらの組み合わせである。ダイ孔絶縁材
８０の材料はまた、ダイ孔ピストン６６に対する滑り能
力の大きいものが選ばれる。

【００６５】ダイ孔絶縁材８０の内部に、またベース挿
入部材７８に接して、ダイ孔底部シール８２および第二
の試料スペーサ８４が配置されている。ダイ孔底部シー
ル８２および第二試料スペーサ８４は、同様にダイ孔絶
縁材８０内に置かれている、相当するダイ孔頂部シール
７０および第一試料スペーサ７２と、類似の構造および
性質を持つ。

【００６６】ダイ孔絶縁材８０を周囲から包囲するよう
に、圧縮リング８６が配置されている。圧縮リング８６
はダイ孔絶縁材８０を周囲から包囲するように成形され
ている。これはダイ孔絶縁材８０に対する圧縮要素とし
て、またヒートシンク要素としても働く。プレス挿入部
材１２を組立てる際にダイ孔絶縁材は、圧縮リング８６
内にはめ込む時に圧縮状態に置かれる。このように予加
圧状態下に置くことにより、ダイ孔絶縁材８０の強度が
向上する。圧縮リング８６は、引張り強さに優れ、熱膨
張係数および熱伝導係数の大きいものが選ばれる。個々
の工程条件について最良の結果が得られるように、これ
らのパラメータ間でバランスを取り、調整し合うことが
できる。しかし、好適な材料は銅合金および透磁率の低
い高強度鉄合金である。

【００６７】圧縮リング８６がダイ孔７６と接する場所
に、円周方向のシールリング止め具８８が備えられてい
る。シールリング止め具８８は、圧縮リング８６とダイ
部材ベース７６との間のシールを行なうＯリング９０
を、部分的に囲うように構成し、こうして真空室４６の
一体性が維持される。

【００６８】圧縮リング８６上に真空キャップ９２が載
置される。真空キャップ９２はまた、ピストン・中心導
電体６４の側面に対して、滑りシールを与えるように構
成される。真空キャップ９２は真空室４６の外方を限定
する。真空キャップ９２に設けた開孔９４は真空配管２
８に連結され、真空室４６のため排気機構を構成する。
真空キャップ９２にはさらに、圧縮リング８６に隣接す
る縁面およびピストン・中心導電体６４に隣接する端面
に沿って、シールリング止め８８が設けられている。こ
の他にもＯリング９０が、部材間に滑り真空シールを行
なうために、各シールリング止め８８が備えられてい
る。真空キャップ９２は、試料室４７を経由しない、圧
縮リング８６からピストン・中心導電体６４への電気伝
導を防止するために、アセタールのような誘電材で形成
される。この真空キャップ９２の滑りシール機能によっ
て、ピストン・中心導電体６４が真空室に入り込む程度
を、可動加圧構成体４２の位置に応じて変化できるの
で、真空室４６の内容積は、可動加圧構成体４２の固定
加圧構成体４０に対する移動に応じて変動する。このよ
うな能力は、Ｏリング９０とピストン・中心導電体６４
との間の滑りシールによって与えられる。

【００６９】ピストン・中心導電体６４から導電性の圧
縮リング８６への直接の放電を防止するために、真空室
４６内に、室絶縁材９６が配置される。室絶縁材は、圧
縮リング８６の表面およびダイ孔絶縁材８０の表面の一
部に載置するようにした、誘電性の円板である。室絶縁
材９６は、低圧力高電圧において、真空室内雰囲気の破
壊により生じうるピストン・中心導電体６４と圧縮リン
グ８６との間の短絡を防ぐための電気絶縁性を与える。
室絶縁材９６の好適な材料としてはマイラー(mylar)で
ある。別の方法として、室絶縁材９６を圧縮リング８６
へのコーティングとして施すことも可能である。室絶縁
材９６をコーティングとして用いる場合には、これは圧
縮リング８６の上面に、アクリル、ウレタン、またはエ
ポキシとして施すことができる。室絶縁材９６は、真空
キャップ９２の内面によって定位置に保持されるように
し、また望むなら圧縮リング８６に取付けてもよい。

【００７０】固定加圧構成体４２の最後の部材は共軸導
電体９８であるが、これは試料室４７から固定加圧構成
体４０へ至る導電経路４９の、復路の部分を構成する。
共軸導電体９８は、可動連結具４４によって第二導電板
５６に接合された、剛性で低電気抵抗の物体である。共
軸導電体９８はまた、スクリューやクランプのような機
械的係合手段によって、ダイ部材ベース７６に接合され
ている。共軸導電体９８は銅またはベリリウム銅で形成
するのが好ましく、これによってダイ部材ベース７６か
ら、したがってダイ挿入部材７８および試料１１から、
第二導電板５６に至る低抵抗の導電経路４９が構成さ
れ、こうしてプレス挿入部材１２を経由し電源３２に到
る全導電経路４９が完成される。

【００７１】次に図３に関して説明する。この図には、
インダクタンスが最小に、電力伝達率が最高となるよう
にして、電力を導電経路４９に供給する構成の一例が、
固定加圧構成体４０の部分の断面図によって示されてい
る。この図においては、低キャパシタンスコンデンサー
１００が電源として機能する。図には１個のコンデンサ
ー１００しか示していないが、実際には大きな複数個の
コンデンサーバンクを使用し、所望の全電圧および電流
を発生するようにすることができる。しかし説明のため
には、１個のコンデンサーを用いて接続構造を示せば充
分であると考える。

【００７２】低インダクタンスのコンデンサー１００
は、＋極端子１０２および−極端子１０４を有し、これ
らの両端子は、固定加圧構成体４０の、プレス挿入部材
１２の機械的負荷を受ける部分から隔たった場所に設け
た、一対の端子収容孔(detent)１０６内にはめ込まれ
る。注意すべきことは、端子収容孔１０６は本質的に、
平面構造体内に設けたただの円形穴にすぎないことであ
る。即ち、この平面構造体の残部には変化がなく、電流
は端子収容孔１０６を迂回して通ることができるので、
第一導電板５２および第二導電板５６の電気伝導度は、
端子収容孔１０６によって大きな影響を受けない。

【００７３】図示したように、端子収容孔１０６は、＋
極端子収容孔１０８および−極端子収容孔１１０を有す
る。＋極端子１０２は＋極端子収容孔１０８内に、−極
端子１０４は−極端子収容孔１１０内に収まるように配
置される。ここでは説明のために「＋」および「−」という
術語を用いているが、構造体の極性の反転は、部材の性
能に全く影響を及ぼすことなく極性の反転した構造体を
容易に構成できることが、容易に理解される。

【００７４】＋極端子収容孔１０８および−極端子収容
孔１１０を囲む各要素の構造は、対応する電極端子が、
固定加圧構成体４０内の、対応する導電板と電気的に接
続できるようになっている点において、異なっている。
即ち、誘電板５４は、＋極端子収容孔１０８の近接部に
おいて第二導電板５６が＋極端子１０２との接触を防ぐ
ように改良されている。同様にして、誘電板５４は−極
端子収容孔１１０の所が、第一導電板５２と−極端子１
０４との間の接触および／またはアーク発生を防止する
ように、改良されている。一方、固定加圧構成体４０の
構造は、＋−両極端子の収容孔１０８，１１０の隣接部
が、＋極端子１０２と第一導電板５２との間で、また逆
に−極端子１０４と第二導電板５６との間で、良好な大
面積接触が行なわれるようにされている。それぞれの端
子にはコンデンサー１００を極端子収容孔１０６内に保
持するために、端子接続要素１１２を1乃至数個配置し
てもよい。

【００７５】導電経路４９を閉じることにより、パルス
電力(の供給)を開始する方法もまた、図３に示す。導電
経路４９を閉じる方法は、レール間隙スイッチ１１４と
して図示されている。このレール間隙スイッチ１１４
は、継続時間の非常に短い非常に大きなパルス電流を供
給するのに適合された、インダクタンスが非常に低いタ
イプのスイッチであり、光源や高電圧スパークを含む各
種の手段で起動させることができる。レール間隙スイッ
チ１１４には、スイッチハウジング１１６に囲まれてい
て、この中には圧縮された(＞１気圧の)誘電性ガス１１
８が満たされている。スイッチ１１４にはまた、第一導
電板５２の線状部分を適当に加工して、線状間隙１２４
で分離された第一の長尺電極１２０および第二の長尺電
極１２２が形成されている。第一電極１２０および第二
電極122は、本質的に線状間隙１２４により分離された
長手のレールとして構成されていることから、この名前
がつけられている。所定の起動条件が満たされると、例
えば紫外線起動またはスパーク起動によりガス１１８の
誘電性に変化が生じると、電気的な力により、線状間隙
１２４越しにアーク電流を生じ、この結果、第一電極１
２０と第二電極１２４との間の導電経路が、急速に完成
される。第一電極１２０は低インダクタンスのコンデン
サー１００の＋極端子に直接接続され、また第二電極１
２４は試料１１にまで延びている導電経路４９を経由し
て−極１０４に接続されているので、レール間隙スイッ
チ１１４の活性化により、導電経路４９が完成されて、
試料11にパルス電流が流れることになり、こうして試料
１１の高度の電気加熱が行なわれることになる。

【００７６】ダイヤモンドや立方晶窒化硼素のような、
高圧安定性物質の焼結や調製には数十 GPaのオーダーの
超高圧を必要とするが、このような目的に有用な超高圧
高温装置として構成された、プレス挿入物の別の形態
を、断面により図４に示す。ここで使用されている構成
要素のうち、共通のものは図２の場合と同じ参照番号で
示されている。類似であっても機能的に異なる部材は同
一参照番号に４００を加えた番号で示されている。類似
のものがない要素は、続きの番号の前に、数字「４」を
付けて示す。

【００７７】図４のプレス挿入部材４１２は、第一の先
細りピストン組立体４１５を有する固定加圧構成体４４
０、および第二の先細りピストン組立体４１７および環
状ダイ４１３を有する可動加圧構成体４４２を有する。
これらの両ピストン組立体４１５，４１７は実質的に同
一の構造を有し、ラム台座３０に載置された時、環状ダ
イ部材４１３を挟んで軸上に対向整列される。両ピスト
ン組立体間の相対的接近により間に保持されている試料
４１１に圧縮力が負荷される。各ピストン組立体は典型
的には炭化タングステンで構成される炭化物製中心ピス
トン部材４２３，４２５とこれを包囲する補強リング群
４２７，４２９から成る。環状ダイ４１３も、高圧技術
では公知なように、引張強さおよび靭性の高い鋼材製リ
ング群を相互に予加圧状態で組み合わせた複層構造を有
する。

【００７８】環状ダイ４１３の中心孔内の構成として、
孔壁面を軸に平行に形成し、壁面に沿って焼結アルミナ
などの剛性スリーブ４２１を配置しダイへの圧力負荷の
軽減作用を利用するもの、壁面をパンチ組立体表面と関
連した曲面に形成するいわゆるベルト装置などが知られ
ている。このような構成はそれぞれ例えば特公昭60-590
08号、特公昭36-23463号に記載されている。前者はスリ
ーブ内に限定される比較的大容量の試料室にて、比較的
多量の試料の処理が可能である。

【００７９】一対のピストン組立体４１５，４１７およ
び環状ダイ４１３を有するこのプレス挿入部材４１２に
おいて、パルス電力供給系４１６は、例えば次のように
構成される。即ちこれは、第一クランプ板４５０、第一
導電板４５２、誘電板４５４、第二導電板４５６および
第二クランプ板４５８を含有する平行板伝達ライン構造
を呈し、これらは全て、第一クランプボルト４６０およ
び第二クランプボルト４６２を用いて、定位置に保持さ
れる。

【００８０】固定炭化物ピストン４２３を経由して試料
４１１に伝達されるパルス電力は、試料を経由して可動
側ピストン４２５から金属製端板４３１、剛性スリーブ
４２１と環状ダイ４１３間に配置した例えばＣu製の導
電スリーブ４３３、ダイ上面に配置したコイルスプリン
グまたはＣu製の接続ケーブル４３５によって第二導電
板４５６へ伝えられる。導電スリーブ４３３とダイ壁面
との間には誘電・絶縁材の薄いスリーブ４３７が挿入さ
れる。

【００８１】固定・可動両加圧構成体間に限定される試
料室は、この図の構成においても、周囲の空間を含めて
外気から遮断し、それによって反応雰囲気を制御し、反
応生成物の汚染を抑制することができる。図５のベロー
連結具等も利用可能ではあるが、ここでは操作性の観点
から、代わりに設置・除去の容易な、ゴム等の被圧縮性
材質製の第一・第二の気密リング４３９，４４１が、還
状ダイ４１３と上下の各ピストン組立体４１５，４１７
との間に挿入されており、これによって両ピストン組立
体の接近時に気密な空間４４３が構成され、排気孔４４
５から排気される。

【００８２】特に図には示さないが、パンチ組立体と
試料との間に良好な電気伝導を確保するために、パンチ
組立体を高電気伝導度で耐熱製の材料で被覆したり、こ
のような材質の薄板を挿入したり、或はダイ孔内の試料
の周囲に銅スリーブを配置することができる。

【００８３】一方図５には、本質的にブリッジマンアン
ビルとして構成されたプレス挿入部材が断面で示されて
いる。このプレス挿入部材(全体を参照符号５１２で示
す)は高圧条件、特に図４の場合よりもさらに高い高圧
条件を発生するのに有用である。この図でも参照番号
は、頭に「５」の数字が付いていることを除けば、図４の
場合と類似である。

【００８４】本発明のブリッジマンアンビル・プレス挿
入部材５１２は、新規な電気的構成により、非平衡条件
下において、超高温を達成することができるようになっ
ており、したがって以前のブリッジマンアンビル構成で
は達成できなかった組み合わせである、高温高圧条件の
同時発生が可能になった。

【００８５】好適なプレス挿入部材１２と同じように、
ブリッジマンアンビル・プレス挿入部材５１２は、固定
加圧構成体５４０および可動加圧構成体５４２を有す
る。しかし、ブリッジマンアンビル・プレス挿入部材５
１２においては、固定加圧構成体５４０と可動加圧構成
体５４２との間の構造の類似性は、前記図４の場合と同
様、好適なプレス挿入部材１２の場合に比べてかなり顕
著である。

【００８６】ブリッジマンアンビル・プレス挿入部材５
１２のパルス電力供給構造は、好適なプレス挿入部材１
２のそれと類似である。即ちこれは、第一のクランプ板
５５０、第一導電板５５２、誘電板５５４、第二導電板
５５６および第二クランプ板５５８を含有する平行板伝
送ライン構造体を有し、これらは全て、第一クランプボ
ルト５６０および第二クランプボルト５６２を用いて、
定位置に保持される。ブリッジマンアンビル・プレス挿
入部材５１２においては、誘電板５５４と第二導電板５
５６は、以下に説明するように、プレス挿入部材１２の
場合とは、異なった配置になっている。

【００８７】ブリッジマンアンビル・プレス挿入部材５
１２の半径対称な圧縮部分は、固定加圧構成体５４０
に、第一の固定補強リング５１４８および第二の固定補
強リング５１５０に包囲された、炭化物製の固定中心ピ
ストン部材５１４６を有する。

【００８８】固定中心ピストン部材５１４６は、固定補
強板５４８と、試料室５４７に収容された試料５１１の
間で、機械的荷重を伝達する。固定中心ピストン部材５
１４６は、図２に示したピストン・中心導電体６４と構
造が類似であり、これと同じ材料で形成するのが好まし
い。固定中心ピストン部材５１４６は、図４の場合と同
様に、試料に近い方の末端が、第一導電板５５２に接す
る末端よりも先細りとなっている。この形状は、高圧条
件の発生を容易にする。

【００８９】固定中心ピストン部材５１４６を半径方向
に包囲する固定第一補強リング５１４８により、圧力が
固定炭化物ピストン５１４６に加えられる。第一の固定
補強リング５１４８は、中心ピストン部材５１４６に対
して、予加圧および支持を与える。第一固定補強リング
５１４８のための好適な材料は、高張力合金であって、
熱膨張係数が、中心ピストン部材５１４６に用いられて
いる炭化タングステン材料に比べて余り大きすぎないも
のである。したがって加熱時の第一の固定補強リング５
１４８の膨張は、中心ピストン部材５１４６の膨張より
もあまり大きくならないので、両者間の圧縮接触は、加
熱時にも劣化しない。

【００９０】第二固定補強リング５１５０は、第一固定
補強リング５１４８を半径方向に包囲する。第二固定補
強リング５１５０は、第一の固定補強リング５１４８お
よび炭化物製の中心ピストン部材５１４６に対して、付
加的な圧縮支持を与える。第二の固定補強リング５１５
０には、高度の引張り強さおよび靭性が要求される。好
適な材料は高張力合金である。炭化物部材が負荷条件下
で破損するとエネルギーが爆発的に放出されることにな
るので、第二の補強リング５１５０はまた、衝撃強さも
大きくなければならない。

【００９１】試料室５４７は、固定炭化物ピストン５１
４６の底部に接する試料頂板５１５２、試料底板５１５
４および周囲シールガスケット５１５６により限定され
る。試料５１１は、試料室５４７内に収容されている。
試料頂板５１５２および底板５１５４は、試料室５４７
に対する負荷伝達部材、電気伝導体、および熱遮蔽材と
して機能する。円板状試料頂底板５１５２，５１５４の
ための好適な材料は炭化タングステンである。シールガ
スケット５１５６は、変形可能な高圧シールを与える
が、また電気絶縁材としても機能する。

【００９２】シールガスケット５１５６は、試料１１を
通る導電経路に瞬間的な加熱電流パルスを流すことがで
きるように、電気絶縁材・誘電材でなければならない。
シールガスケット５１５６のための好適な材料はパイロ
フィライト、または高圧下で塑性特性を示すように選ば
れた、その他のセラミックスである。

【００９３】上述のように、可動加圧構成体５４２の構
造は、これに板状電気伝導部材が含まれていない点を除
けば、固定加圧構成体５４０と実質的に同一である。可
動加圧構成体５４２には、機械的圧力を炭化物製の中心
ピストン部材５１５８に負荷せしめる可動補強板５７
４、可動第一補強リング５１６０および可動第二補強リ
ング５１６２が含まれている。可動加圧構成体における
中心ピストン部材５１５８、可動第一補強リング５１６
０および第二補強リング５１６２の構造および材料は、
相当する固定部材と同一である。

【００９４】図２の好適なプレス挿入部材１２の場合と
同様に、ブリッジマンアンビル・プレス挿入部材５１２
では、固定加圧構成体５４０と可動加圧構成体５４２と
はベロー連結具５４４で連結されている。ベロー連結具
５４４は、導電経路の内で柔軟な部分となっている。さ
らにブリッジマンアンビル・プレス挿入部材５１２にお
いて、ベロー連結具５４４は真空室５４６の壁として働
く。試料５１１の近傍の雰囲気を制御するために、試料
室５４７の周囲に真空室５４６を設けるのが望ましい。
目的によっては、工程中に真空室５４６を排気すること
が望まれる場合が多い。ベロー連結具５４４は、第二導
電板５５６には固定して、また可動加圧構成体５４２に
は着脱可能に結合されている。着脱可能な結合は、試料
を挿入部材５１２に挿入するするために必要になる。取
付けは、ベロークランプ５１６４を用いることにより実
施されるが、これには真空を維持するために、外面に付
加的な真空シーラ５１６６を備えていてもよい。ベロー
クランプ５１６４は、ベロー連結具５４４と可動加圧構
成体５４２との間で、確かで着脱可能な機械的および電
気的接続を行なう。使用するベロークランプ５１６４に
よって充分なシールが与えられなければ、真空シーラ５
１６６が必要になるだろう。

【００９５】図５には、ベロー連結具５４４の異なる二
つの取付け位置が示されている。実線で示した内側の位
置は、真空室の容積が比較的小さくなる配置である。内
側で接続を完成するために、第二導電板５５６は、固定
補強リング５１４８および５１５０の表面に沿って、も
ちろん誘電板５５４の延長部により絶縁されて、延びて
いなければならない。この延長部は、ベロー連結具５４
４を経由する戻りの導電経路を構成するうえで必要であ
る。注意すべきことは、誘電板５５４は第二導電板５５
６よりも遠くまで延びていることである。このような構
成が望まれる理由は、中心ピストン部材５１４６を経由
して第一導電板５５２へ戻る電気エネルギーがアークを
発生するのを避けるためである。

【００９６】より大きな真空室５４６を構成するため
に、破線で示すような第二のベロー連結具５４４の配置
も可能である。このベロー連結具５４４の代替配置で
は、真空ポンプ３６への連結が容易になり、導電経路の
構成が単純化される。第二の配置を使用する場合には、
第二の導電板５５６および誘電板５５４は、終端を固定
第二補強リング５１５０の外側にすることができる。第
二の配置の方が、第一の配置よりも回路の抵抗は小さ
く、インダクタンスは大きい。これらの二通りのベロー
連結具配置のどちらを用いてもよいが、一つの構成に両
方を同時に使用する必要はないと考えられる。

【００９７】従来のブリッジマンアンビルは、室温で41
GPaもの圧力を発生することが可能である。通常の操作
では、試料室は電流を流すことにより加熱され、試料室
温度は本質的に平衡な条件下で確立される。このような
条件下では、負荷受容要素はかなりの熱に供される。従
来の使用法では、高温で超高圧を発生することはできな
い。しかし、好適なブリッジマンアンビル・挿入部材５
１２は、本質的に断熱的な非平衡条件下で、試料５１１
を加熱することができる。したがって、試料にピーク温
度およびピーク圧力が発生している時でも、負荷受容構
造に生じる温度増加は、構造自体のジュール熱による自
己加熱だけである。試料および負荷受容構造における自
己加熱の量は、固有抵抗および比熱の比の関数である。

【００９８】パルスエネルギー、放電時間、および試料
条件を適切に選択することにより、ブリッジマンアンビ
ル・プレス挿入部材５１２を用いて、ダイヤモンドが熱
力学的に安定な固体となる温度圧力条件下で(＞14GP
a)、炭素の融解およびそれに続く凝固を達成できる。

【００９９】パルス放電で試料１１に発生した熱は、
試料板５１５２，５１５４内に、またここから中心ピス
トン部材５１４６，５１５８内に拡散する。パルス中に
散逸したエネルギーおよび熱輸送特性に応じて、試料１
１が冷却していく間、試料板および中心ピストン部材の
温度上昇もたらし、その結果強度の低下を来たす。しか
し操作条件を適切に選択することにより、負荷受容構造
体が試料１１からの熱により加熱される時の圧力を軽減
することができる。これによって負荷受容構造の損傷が
回避され、試料室５４７内のダイヤモンドの黒鉛化が防
がれる。真空中におけるダイヤモンドの黒鉛化が認め得
る速度で進行するのは、約2000Ｋ以上の温度においての
みであるから、減圧下においては、準安定なダイヤモン
ドの冷却のために、かなりの時間的余裕がある。

【０１００】試料５１１の熱抵抗を増加してアンビル５
１２内のジュール自己発熱を減少させることにより、ア
ンビル構造５１２の熱負荷を減少するために、二通りの
主な方法が利用できる。第一の方法は、ダイヤモンド粉
末とグラファイトまたは不定形炭素との混合物を、試料
として用いることである。ダイヤモンドは誘電体(ある
いは、精々が半導体)であるから、電気伝導に対する試
料全体の抵抗は増加する。また非常に急速なパルスの場
合は、ダイヤモンド相は全く加熱されず、このため溶融
炭素が凝固する際には、局部的なヒートシンクとして働
き、その結果、負荷受容構造が受けるピーク温度を低下
させる。第一の方策のこの外の利点の一つは、溶融炭素
に接している固体のダイヤモンドが存在していることに
より、溶融相からの均一核形成に要する圧力以下の圧力
で、準安定相の不均一核形成、即ちダイヤモンドが成長
する機会が提供されることである。

【０１０１】第二の手法は、試料５１１中に熱分解グラ
ファイトのような高度に配向したグラファイトを使用す
ることである。グラファイトをｃ軸が圧縮方向に平行に
なるように配向させることにより、グラファイトの電気
および熱伝導度の著しい異方性を最大限利用できる。こ
の配向においては、最高の電気抵抗と最低の熱伝導度を
得ることができる。無秩序な配向を持つグラファイト粉
末でさえも、冷間加圧の際に配向する。典型的な固有電
気抵抗は、ｃ軸と平行な方向において0.2Ωcm、ｃ軸に
垂直方向において0.00018Ωcmである。

【０１０２】注意すべきことは、グラファイト(2.25g/c
m³)とダイヤモンド(3.5g/cm³)とに密度の差があるた
め、冷却時に液圧システム１４に圧力を加えて変位を与
えなければならないが、この変位は転換していくグラフ
ァイトの容積に依存する。

【０１０３】以上の実施形態は特定の構造および材料に
ついて説明した。しかし、本発明の精神から逸脱するこ
となく、各様の寸法、材料および構成が可能なことは、
理解される。したがって上記の開示および添付の図面
は、本発明の全範囲を限定するものではなく、付帯の請
求項は本発明の全範囲を包含するものと解すべきであ
る。

【０１０４】

【実施例１】「ダイヤモンド・二硼化チタン複合材の調製」ダイヤモンドと耐火物セラミック間の複合材の調製は、
ダイヤモンドが低圧・高温下ではグラファイト化しやす
いことから、困難である。中程度の圧力および非常に高
速の加熱法を用いることにより、二硼化チタンとダイヤ
モンドとからなる、破砕強度の高い焼結体が得られた。

【０１０５】40〜60 μmのダイヤモンド粉末0.03ｇと、
-325メッシュの二硼化チタン0.02ｇを混合し、直径3.2m
mの試料ダイ中に置いた。136μFのコンデンサーバンク
を、1600Ｖで充電した。約130Paの真空度まで排気した
後、73MPaの圧力を加えた。加圧後コンデンサーバンク
を放電させた。ダイから取り出された焼結体は、中心部
はかなりの強度を示したが、外部は破砕し易かった。

【０１０６】

【実施例２】「炭化チタン・炭化硼素複合材の調製」容積比で約50％の炭化チタンと50％の炭化硼素との混合
物を、直径3mmのダイに入れ、約1Paの真空度で40MPaに
加圧した。68μFのコンデンサーバンクを4800Ｖに充電
し、試料を通して放電させた。得られた焼結体は壊れに
くく、かなりの強度を示した。

【０１０７】

【実施例３】「ダイヤモンド結晶の成長」実施例１と同様の放電条件を用いて操作を繰り返した。
平均粒径250μmのダイヤモンド粉末0.03ｇと、分光用黒
鉛粉末0.02ｇを混合し、3.2 mmの試料ダイ中に置いた。
約10^-2Paの真空度まで排気した後、3GPaの圧力を加え
た。加圧後コンデンサーバンクを放電させた。ダイから
取り出されたダイヤモンド結晶は、全体的に約20μmの
成長を示した。

【０１０８】当業者には、本発明の範囲および精神から
逸脱することなく、本発明に各様の変形・改良を加え得
ることが、理解されるだろう。

【０１０９】また本発明には、特に耐火物複合材の製造
においてはまた、多数の用途のあることが、認識される
だろう。

【０１１０】

【発明の効果】本発明の利点の一つは、電気エネルギー
の効率的な利用である。加熱が非常に急速に行なわれる
ことにより、周囲のダイへ逃げるエネルギー損失は最小
限に抑えられる。

【０１１１】本発明の別の利点は、誘電相の内部熱容量
および急速加熱により、成形体の平衡温度は、導電相の
ピーク温度よりも低く、このためダイの熱負荷が軽減さ
れる。このことはさらに、より経済的なダイ設計が可能
になり、またより広範囲の操作条件範囲を利用可能にす
る。

【０１１２】別の利点は、混合材料中のごく限定された
部分で加熱が行なわれることによる急速緻密化であり、
緻密化のための時間は分や時間のオーダーでなく、秒の
オーダーである。

【０１１３】別の利点は急速冷却が得られることで、こ
れにより材料を溶融状態から急冷により準安定な固溶体
を製造し、続いて熱処理により有用な微細構造を得るこ
とができる点である。この急速冷却は、準断熱的加熱能
力および半導体または誘電性材料の局部的ヒートシンク
能力によって可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施形態としてのパルス電
力加熱真空プレスの正面図である。

【図２】好適な実施形態であるプレス挿入部材の断面
図である。

【図３】平行板導電体構成を示す断面図、

【図４】利用可能な別の形態のプレス挿入部材の断面
図である。

【図５】ブリッジマンアンビルとしての使用に適合さ
れたプレス挿入部材断面図である。

【符号の説明】

１１試料１２プレス挿入部材１４フレーム１６パルス電力供給系１８真空系２０フレーム２２フレーム上辺２４上方台座２６液圧ジャッキ２８液圧ラム３０ラム台座３２パルス電源３４基幹導電体ケーブル３６真空ポンプ３８真空配管４０固定加圧構成体４２可動加圧構成体４４可動結合具４６真空室４７試料室４８中心補強板４９導電経路５０第一クランプ板５２第一導電板５４誘電板５６第二導電板５８第二クランプ板６０第一クランプボルト６２第二クランプボルト６４ピストン・中心導電体６６ダイ孔ピストン６８ビストンシム７０ダイ孔頂部シール７２第一試料スペーサ７４可動構成体補強板７６ダイ部材ベース７８ベース挿入部材８０ダイ孔絶縁材８２ダイ孔底部シール８４第二試料スペーサ８６圧縮リング８８シールリング止め９０Ｏリング９２真空キャップ９４開孔９６室絶縁材９８共軸導電体１００コンデンサー１０２＋極端子１０４ −極端子１０６端子収容孔１０８＋極端子収容孔１１０ −極端子収容孔１１２端子接続要素１１４レール間隙スイッチ１１６スイッチハウジング１１８圧縮誘電性ガス１２０第一長尺電極１２２第二長尺電極１２４線状間隙４１１試料４１２プレス挿入部材４１３環状ダイ４１５第一先細りパンチ組立体４１６パルス電力供給系４１７第二先細りパンチ組立体４２１剛性スリーブ４２３中心ピストン部材(炭化物製) ４２５中心ピストン部材(炭化物製) ４２７補強リング群４２９補強リング群４３１金属製端板４３３導電スリーブ４３５コイルスプリング４３７誘電・絶縁材スリーブ４３９第一気密リング４４０固定加圧構成体４４１第二気密リング４４２可動加圧構成体４４３気密な空間４４５排気孔４５０第一クランプ板４５２第一導電板４５４誘電板４５６第二導電板４５８第二クランプ板４６０第一クランプボルト４６２第二クランプボルト５１１試料５１２ブリッジマンアンビル・プレス挿入部材５４０固定加圧構成体５４２可動加圧構成体５４４ベロー連結具５４６真空室５４７試料室５４８固定補強板５５０第一クランプ板５５２第一導電板５５４誘電板５５６第二導電板５５８第二クランプ板５６０第一クランプボルト５６２第二クランプボルト５７４可動補強板５１４６中心ピストン部材５１４８第一補強リング５１５０第二補強リング５１５２試料頂板５１５４試料底板５１５６シールガスケット５１５８中心ピストン部材５１６０可動第一補強リング５１６２可動第二補強リング５１６４ベロークランプ５１６６真空シーラ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固有電気抵抗が大幅に異なる低電気抵抗
材料および高電気抵抗材料を含む混合粉末から成る試料
を誘電性の容器に入れ、この混合粉末に、所定圧力を加
えた状態において、所要エネルギーを有する持続時間の
短い１〜複数個のパルス電流を通すことにより、低電気
抵抗材料を選択的に加熱して混合粉末の緻密化および／
または混合粉末中に相変化を生ぜしめることを特徴とす
る、圧力下における試料の高速加熱法。
【請求項２】上記パルス電流の持続時間が１ms以下で
ある、請求項１に記載の圧力下における試料の高速加熱
法。
【請求項３】上記パルス電流の持続時間が200μs以下
である、請求項１に記載の圧力下における試料の高速加
熱法。
【請求項４】高電気抵抗材料と低電気抵抗材料との固
有電気抵抗の比が少なくとも1000である、請求項１に記
載の圧力下における試料の高速加熱法。
【請求項５】上記高電気抵抗材料がダイヤモンドまた
は窒化硼素である、請求項１に記載の圧力下における試
料の高速加熱法。
【請求項６】上記高電気抵抗材料が金属炭化物、窒化
物または硼化物である、請求項１に記載の圧力下におけ
る試料の高速加熱法。
【請求項７】高電気抵抗材料がダイヤモンド、低電気
抵抗材料がグラファイトである、請求項２に記載の圧力
下における試料の高速加熱法。
【請求項８】上記混合粉末の加熱に先立ち容器の脱ガ
スを行なう、請求項１に記載の圧力下における試料の高
速加熱法。
【請求項９】上記脱ガスを約133Pa以下の圧力下で行
なう、請求項８に記載の圧力下における試料の高速加熱
法。
【請求項１０】上記パルス電流がキャパシタンス放電
により与えられる、請求項１に記載の圧力下における試
料の高速加熱法。
【請求項１１】上記パルス電流が発電機から供給され
る、請求項１に記載の圧力下における試料の高速加熱
法。
【請求項１２】高電気抵抗材料であるダイヤモンド結
晶を低電気抵抗材料であるグラファイト中に埋め込んで
成る試料を誘電性の容器に入れ、約３GPa以上の圧力を
加えた状態において、所要エネルギーを有する持続時間
が１ms以下のパルス電流を通すことによりグラファイト
のみを選択的に高速加熱・溶融して、ダイヤモンドを生
長させることを特徴とする、ダイヤモンド結晶の成長
法。
【請求項１３】剛性のフレーム、該フレーム内に同一
軸上に整列配置されかつ該フレームに関して本質的に固
定された固定加圧構成体と該フレームに関して可動の可
動加圧構成体、及び両加圧構成体間に限定され、誘電性
の容器に入った試料を収容するための試料室、ならびに
試料に電力を導くための導電構成を有し、かつ両加圧構
成体の相対的接近により試料に数十GPaの圧力を負荷し
得る、同時にパルス電力の供給により試料の少なくとも
部分的溶融を可能にしたプレス挿入部材；両加圧構成体
に一軸機械的圧力を加えて試料を加圧するプレス手段；
プレス挿入部材に継続時間の短い加熱用大パルス電力を
供給するパルス電力供給系；およびパルス電力供給系、
プレス挿入部材、試料室で構成される導電経路のインダ
クタンスおよび抵抗を非常に低く構成し、かつプレス手
段とプレス挿入部材との間に絶縁を行ない加熱のために
供給された電力が直接的にプレス手段へ伝達するのを防
止してなる、請求項１に記載した、圧力下における試料
の高速加熱法に使用する装置。
【請求項１４】上記プレス手段がフレーム内に配設・
支持された液圧ラムを有する一軸加圧方式であり、この
フレームが、液圧ラムに関して両側に設けた加圧方向と
平行なフレーム縦部材、およびフレーム縦部材の上部に
加圧方向に対して垂直に設けたフレーム横部材を有し、
さらに液圧ラムの上端に第一の補強板としてラム台座
を、横部材の下部に第二の補強板として上方台座を設
け、これらの第一および第二の補強板の間にプレス挿入
部材を装着してなる、請求項１３に記載した、圧力下に
おける試料の高速加熱法に使用する装置。
【請求項１５】上記固定加圧構成体は、平らな先端面
を持つ先細り中心ピストン部材及びこの中心ピストン部
材を外周から圧縮的に支持する補強リングからなる固定
ピストン組立体を有し、一方、上記可動加圧構成体は、
平らな先端面を持つ先細り中心ピストン部材及びこの中
心ピストン部材を外周から圧縮的に支持する補強リング
からなる可動ピストン組立体、及び上記両ピストン組立
体間に配置され、中心ピストン部材の先端径よりも大き
な内径のダイ孔を有する環状ダイを有し、かつ上記両ピ
ストン組立体は同一軸上に相対的に接近可能に対向配置
され、さらに上記両ピストン組立体と環状ダイとの間に
挟装した耐火物、並びに中心ピストン部材、環状ダイ、
耐火物間に限定される試料室を有し、試料室内に収容さ
れた試料が、超高圧下においてパルス電流により加熱さ
れる請求項１３に記載した、圧力下における試料の高速
加熱法に使用する装置。
【請求項１６】上記環状ダイは、ダイ孔内に装填した試
料の上下にかつ試料に隣接して第一および第二の試料ス
ペーサを配置し、この際少なくとも一方の試料スペーサ
がＷ、Mo、Taおよびグラファイトから選ばれる少なくと
も１種を含む高融点材料とより低融点材料であるCuとの
複合材で構成し、試料室からの熱伝達を低融点材料によ
って吸収させるようにした、請求項１５に記載した、圧
力下における試料の高速加熱法に使用する装置。
【請求項１７】上記固定加圧構成体が順次、第一導電
板、誘電板及び第二導電板の層状構造を有する平行板伝
達ライン、中心補強板、ピストン・中心導電体部材、ピ
ストンシム、およびダイ孔ピストンを有し、ダイ孔内に
限定される試料室が、ダイ孔頂部シール、ダイ孔頂部に
配置された第一試料スペーサ、選択された試料、ダイ孔
底部に配置された第二スペーサ、およびダイ孔底部シー
ルを有し、さらに可動加圧構成体が、上記固定加圧構成
体に対する相互的移動により試料に圧縮荷重を負荷可能
であり、かつ上記試料室を周囲から包囲するダイ孔絶縁
材、このダイ孔絶縁材を圧縮的に周囲から包囲する圧縮
リング、上記ダイ孔底部シールに接しかつ上記ダイ孔絶
縁材を軸方向に支持するベース挿入部材、このベース挿
入部材を支持するダイ部材ベース、および可動加圧構成
体補強板を有する、請求項１３に記載した、圧力下にお
ける試料の高速加熱法に使用する装置。
【請求項１８】上記プレス挿入部材が、先細り形状の
固定加圧構成体中心ピストン部材、該中心ピストン部材
の周囲に隣接配置された固定加圧構成体第一補強リング
及び第二補強リングからなる固定加圧構成体；この固定
加圧構成体と同様に構成された、可動構成体第一補強リ
ングおよび該第一補強リングの周囲に隣接して配置した
可動構成体第二補強リングを有し、かつ固定加圧構成体
に対して鏡面対称的に配置した可動加圧構成体；および
各中心ピストン部材の先端面に隣接配置された第一およ
び第二の試料板、試料板およびリング状ガスケットによ
り限定される試料室を持つブリッジマンアンビル型構造
である請求項１３に記載の圧力下において試料を高速加
熱する装置。
【請求項１９】上記両加圧構成体がさらに、電力供給
源の相対する２つの極の各々に電気的に接続された第一
および第二の導電板部材、および両導電板部材の間に接
続され両者を分離する誘電板部材を有し、かつ両加圧構
成体における少なくとも1個の中心ピストン部材は導電
性であって上記導電板部材の一方に電気的に接続され、
上記両導電板部材及び中心ピストン部材が電力供給源の
両極間における導電経路の一部を構成する請求項１８に
記載の圧力下において試料を高速加熱する装置。
【請求項２０】上記導電経路の少なくとも一部が、誘
電材で分離された相互に平行な導電性の板および相互の
ずれを抑制する堅固手段からなる平行板構造である、請
求項１９に記載の圧力下において試料を高速加熱する装
置。
【請求項２１】上記両加圧構成体の間でかつ上記試料
室の周囲に、上記中心ピストン部材、第一導電板部材、
中心ピストン部材に対して共軸的かつ中心ピストン部材
と接触しないように配置した導電部材、第二導電部材と
の間に配設したベロー連結具によって限定されかつ試料
室を大気から遮断して包囲する気密空間を設け、この気
密空間に排気装置を接続して成る、請求項１９に記載の
圧力下において試料を高速加熱する装置。
【請求項２２】上記気密空間が上記ピストン・中心導
電体、ピストン・中心導電体の周囲に共軸的かつ摺動可
能に配置した管状の真空キャップ、圧縮リングおよびダ
イ部材ベースにより限定され、真空室排気用の排気手段
に連結されている、請求項１７に記載の圧力下において
試料を高速加熱する装置。
【請求項２３】上記真空キャップとダイ部材ベース、
および真空キャップとピストン・中心導電体との間に、
それぞれＯリングシールを配設してなる、請求項２２に
記載の圧力下において試料を高速加熱する装置。
【請求項２４】上記プレス挿入部材が、同一軸上に対
向配置し相対的に接近可能な、平らな先端面を有する一
対の先細りピストン組立体、およびこれらの先細りピス
トンの先端径よりも大きな内径を有しかつ両ピストン組
立体間に配置された環状ダイ、並びに各ピストン、環状
ダイ、耐火物により限定される試料室を有し、さらにこ
の試料室の周囲でかつ上記両先細りピストン組立体と環
状ダイとに挟装したゴム製の気密リングで限定される気
密室を設け、かつこの気密空間に排気装置を接続して成
る、請求項１３に記載の圧力下において試料を高速加熱
する装置。
【請求項２５】上記可動加圧構成体の環状ダイにおい
て、上記ダイ孔頂部シールおよびダイ孔底部シールの少
なくとも一方を、Ｗ、Mo、Taおよびグラファイトから選
ばれる少なくとも１種を含む高融点材料とより低融点材
料であるCuとの複合材で構成し、試料室から伝達される
熱を低融点材料の融解により吸収し、こうして周囲の要
素を過熱から保護するようにした請求項１７に記載の圧
力下において試料を高速加熱する装置。
【請求項２６】試料室に面したピストン先端部にＷ−Cu
合金による被覆を行い、ピストンと試料の間に良好な電
気伝導度を確保した、請求項１５に記載の圧力下におい
て試料を高速加熱する装置。
【請求項２７】試料室の絶縁材の内面に沿って銅製の
スリーブを配置した、請求項１５に記載の圧力下におい
て試料を高速加熱する装置。