JPH11139873A - 爆発合成装置及びそれを用いた高圧相物質の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装填された爆薬のエネルギーを効率的に利用
し、超高圧及び超高温を容易に得ることができるととも
に、その持続時間を長く保持できる爆発合成装置及びそ
れを用いた高圧相物質の製造方法を提供する。 【解決手段】 金属容器１１は円筒状に形成され、その
底面に厚紙１２が貼着されている。爆薬１３は、金属容
器１１内の中心に円筒状の金属管１４が位置するよう
に、金属容器１１内に充填されている。この爆薬１３は
金属容器１１の上端から盛り上がるように山型に形成さ
れ、その頂部に電気雷管１５が支持されている。複合体
１６は、表面に低圧相物質の薄層が形成された金属薄板
１６ａが金属棒１７に巻き付けられて構成されている。
金属栓１８は、金属棒１７を金属管１４の中心に収める
ことができるようになっている。キャップ１９は円錐状
をなし、金属管１４の上端に設けられ、その尖端部が電
気雷管１５に対向している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば切削工具
などに使用される高圧相物質としての立方晶系窒化硼素
を製造するための爆発合成装置及びそれを用いた高圧相
物質の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、
超高圧、超高温が達成され、かつその持続時間が長い爆
発合成装置及びそれを用いて高転換率で、かつ安価に高
圧相物質を得ることができる高圧相物質の製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の高圧相物質の製造方法と
しては、次のような方法が知られている。すなわち、原
料となる低圧相窒化硼素粉末と金属粉とを混合して成形
したものや、容器に充填したものに対して直接に衝撃波
を与える方法、例えば単純な平面波法や円筒法により衝
撃圧を与えて高圧相物質を製造する方法が開示されてい
る（特公昭５２−４５６８０号公報）。具体的には、円
筒法では材料を円筒形容器に収納し、その外側に爆薬等
を巻くように配置した装置を用い、爆薬等の起爆により
発生した衝撃波が容器内部へ伝搬し、材料内部に超高圧
力と高温状態を生じさせる方法である。

【０００３】さらに、最近では円筒法の改良として、円
筒形容器の外側に適当な間隔をおいて円筒状飛翔体を配
置した二重管法が開示されている（Acta metall,vol.3
6.No.4,pp.925-936,1988）。

【０００４】また、一端が開放された容器に材料を充填
し、適当な蓋をした容器に高速飛翔体を衝突させ、材料
内部に高圧、高温を発生させてダイヤモンドを製造する
方法が開示されている（１９７９年科学技術庁無機材質
研究所研究報告書第２０号）。

【０００５】その他に、水中衝撃波を利用して粉末を衝
撃固化する方法及び装置が開示されている（特開平６−
１９８４９６号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ように爆薬によって発生した衝撃波を直接利用したり、
また飛翔体を直接材料に作用させる方法では、圧力の作
用時間が極めて小さく、材料中に有効な合成反応を引き
起こすに十分な圧力や温度を維持することができない。
そのため、高圧相物質の収率が悪く、コスト高を招くと
いう問題があった。

【０００７】例えば、円筒法では、爆薬中の爆轟波が容
器内の材料に入射し、その爆轟波によって高温、高圧が
達成できるのであるが、爆薬を伝搬する爆轟波に比べ、
材料中の衝撃波の速度はかなり小さくなり、その結果発
生する圧力もあまり高いものは期待できない。また、材
料の合成に必要な圧力、温度の作用時間が短いため、合
成補助材料として過度の添加物等を入れて合成する必要
がある。このため、その後添加物等を取り除く工程が余
分に必要となり、その結果高圧相物質のコスト高を招く
結果となっていた。

【０００８】また、高速飛翔体を衝突させる方法におい
ても、保持する装置を使用した場合においても、衝突に
よって発生した衝撃波の持続時間が極めて短く、その結
果効率の良い合成を行おうとすると、装置が極めて大き
なものとなり、装置のコストが高くなるという問題があ
った。

【０００９】さらに、水中衝撃波を利用する方法では、
装填した爆薬全量に対して衝撃固化に働く有効な爆薬量
が少なく、効率的ではない。すなわち、爆薬の直径部分
の大きさのみが衝撃固化に有効であるため、衝撃される
材料の総量を増加させるには、直径を増すことが必要で
あり、装置が極めて大きなものとなるため経済的ではな
かった。

【００１０】この発明は、上記のような従来技術に存在
する問題点に着目してなされたものである。その目的と
するところは、装填された爆薬のエネルギーを効率的に
利用し、超高圧及び超高温を容易に得ることができると
ともに、その持続時間を長く保持できる爆発合成装置及
びそれを用いた高圧相物質の製造方法を提供することに
ある。その他の目的とするところは、低圧相物質から高
圧相物質への転換率を高めることができ、高圧相物質の
収率を向上させて高圧相物質を安価に製造することがで
きる爆発合成装置及びそれを用いた高圧相物質の製造方
法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の発明の爆発合成装置は、両端に蓋体が装着
された筒状収容体と、前記筒状収容体内に収容される支
持棒と、金属薄板上に低圧相物質の薄層が形成された状
態で前記支持棒に巻き付けられた複合体と、前記筒状収
容体の周囲に配置された所定量の爆薬とを備えたもので
ある。

【００１２】第２の発明の爆発合成装置は、第１の発明
において、前記筒状収容体の一端の延長線上に雷管を配
置するとともに、筒状収容体に装着される蓋体にキャッ
プをその先端が雷管側を向くように装着したものであ
る。

【００１３】第３の発明の高圧相物質の製造方法は、両
端に蓋体が装着された筒状収容体と、前記筒状収容体内
に収容される支持棒と、金属薄板上に低圧相物質の薄層
が形成された状態で前記支持棒に巻き付けられた複合体
と、前記筒状収容体の周囲に配置された所定量の爆薬と
を備え、前記爆薬を筒状収容体の一端側より起爆させ、
低圧相物質を高圧相物質へ相転換させるものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施形態につ
いて、図面に基づいて詳細に説明する。まず、爆発合成
装置について説明する。

【００１５】図１に示すように、円筒状をなす金属容器
１１は、底部となる下端面に厚紙１２が図示しない粘着
テープにより接合されている。爆薬１３は、金属容器１
１内の中心に筒状収容体としての円筒状の金属管１４が
位置するように、金属容器１１内に充填されている。こ
の爆薬１３は金属容器１１の上端から盛り上がるように
山型に形成され、その頂部には電気雷管１５が支持され
ている。

【００１６】上記爆薬１３としては、ダイナマイト、Ａ
ＮＦＯ爆薬、エマルジョン爆薬（ＥＭＸ）等の産業用爆
薬に限らず、トリニトロトルエン（ＴＮＴ）、トリメチ
レントリニトロアミン（ＲＤＸ）、ＰＢＸ系（Plastic
Bonded Explosive）爆薬等広く爆発性の物質が使用さ
れる。

【００１７】高圧相物質を製造するための出発原料とな
る低圧相物質は、バインダーと混合されてペースト状に
される。このペースト状混合物が金属薄板１６ａ上に塗
布され、薄層として形成されている。低圧相物質とは、
爆発衝撃圧により高圧相物質を得るための原料となる物
質であって、温度と圧力との関係を表わす相図において
低圧で安定な領域を有する物質をいう。この低圧相物質
としては、例えば低圧相窒化硼素（ｈＢＮ）、グラファ
イト、炭化珪素などが挙げられる。高圧相物質とは、温
度と圧力との関係を表わす相図において高圧で安定な領
域を有する物質をいう。この高圧相物質としては、立方
晶系窒化硼素（ｃＢＮ）、ウルツ鉱型窒素化硼素（ｗＢ
Ｎ）等が挙げられる。金属薄板１６ａとしては、銅、
鉄、アルミニウム等に限らず、薄い金属板が使用され
る。

【００１８】薄い金属板を使用するのは、薄板でそれを
多重巻きとすること、つまり多重円筒法（又はロールフ
ィルム法）を用いることより、通常簡単に得ることので
きないような超高圧力を容易に得ることができるととも
に、衝撃圧縮処理後の残留温度を極力早く拡散させ、相
転換により生成した高圧相物質が残留温度により逆転換
することを防止して、高圧相物質を効率良く回収できる
ためである。

【００１９】前記バインダーとは、金属薄板と低圧相物
質とを接着させるものをいい、例えばエチルセルロー
ス、メチルセルロースなどが挙げられる。低圧相物質は
バインダーと混合され、必要に応じて溶媒と共に混合さ
れて金属薄板１６ａ上に塗布される。金属薄板１６ａ上
に塗布される成分の配合割合は、低圧相物質１０〜４０
重量％、バインダー１〜１５重量％、残部は溶媒であ
る。

【００２０】バインダーは、できるだけ低温で除去で
き、かつ残渣のないものが適している。このバインダー
は前記金属管１４ごとに、３５０〜５００℃、１０^-3Ｔ
ｏｒｒ程度の減圧下で数時間程度熱分解される。

【００２１】低圧相物質を金属薄板１６ａに塗布したも
のは、適当なかさ密度を有していることが望ましい。こ
のかさ密度は、爆薬による衝撃圧縮時における発生温度
に強く影響する。かさ密度が、真密度より低くなると、
ある一定のところまでは衝撃圧縮時の温度が上昇する。
従って、かさ密度は０．５〜１．８ｇ／cm³ の範囲が好
ましい。低圧相物質の膜厚は数μｍ〜数ｍｍ程度が扱い
やすいが、特にこれに限定されるものではない。

【００２２】金属薄板１６ａ上への低圧相物質の薄層の
形成方法は、刷毛、ローラ等を使用して塗布する方法も
あるが、セラミックス製のシートを製作する際に使用さ
れているドクターブレードを使用してもよい。また、金
属薄板１６ａを所定回数巻回した状態で、低圧相物質の
液中へ浸漬した後、引き上げて乾燥する方法でもよい。
金属薄板１６ａ上に形成された薄層の厚みは数μｍ〜数
ｍｍ程度が扱いやすいが、特にこれに限定されるもので
はない。

【００２３】図２及び図３に示すように、複合体１６
は、表面に低圧相物質の薄層が形成された金属薄板１６
ａが支持棒としての金属棒１７に数回〜数十回巻き付け
られることにより構成されている。なお、図２において
は、金属薄板１６ａが便宜上同心円状に描かれている
が、実際には渦巻き状に形成されている。図１に示すよ
うに、この複合体１６は前記金属管１４内の金属棒１７
に嵌挿され、その両端側には蓋体としての円筒状の金属
栓１８が金属棒１７に嵌挿された状態で配設されてい
る。

【００２４】この金属栓１８は、金属棒１７を金属管１
４の中心に収めることができるようになっている。金属
棒１７としては、銅、鉄、アルミニウム、ステンレスに
限定されず、金属製の円柱状をなす棒の全てが含まれ
る。

【００２５】キャップ１９は円錐状をなし、金属管１４
の上端すなわち起爆側に設けられ、その尖端部が電気雷
管１５に対向し、爆薬１３の爆発による衝撃波が金属栓
１８の上部から金属管１４内に入射するのを防止するよ
うになっている。このキャップ１９は、塩化ビニル樹脂
や石膏などで前記円錐状に作製されている。

【００２６】なお、上記のような爆発合成装置において
は、金属容器１１の下方に水を収容した水槽を備えるこ
とが好ましい。これにより、衝撃圧縮処理後の高圧相物
質を水槽内の水中に導いて急冷することができ、残留温
度を速やかに低下させ、相転換により生成した高圧相物
質が残留温度により逆転換することを防止して、高圧相
物質を効率良く回収することができる。

【００２７】さて、電気雷管１５により金属容器１１内
の爆薬１３が起爆されると、爆薬１３の爆発に基づいて
発生した爆轟波が金属管１４に向かい、金属管１４を衝
撃圧縮する。そして、その爆轟波は、金属棒１７に対し
て渦巻き状に巻回された金属薄板１６ａと低圧相物質と
よりなる複合体１６の部分に収束し、金属管１４内が超
高圧及び超高温に達する。その結果、金属管１４内の金
属薄板１６ａ表面に薄膜として形成された低圧相物質が
高圧相物質へ相転換される。

【００２８】以上の実施形態によれば、次のような効果
が発揮される。・ 実施形態の爆発合成装置によれば、
金属薄板１６ａを金属棒１７の回りに多重巻きするこ
と、すなわち多重円筒法を採用することにより、爆薬１
３の起爆による爆轟波を複合体１６の部分に収束させる
ことができる。このため、爆薬１３のエネルギーを効率
的に利用することができ、通常簡単に得ることのできな
いような超高圧及び超高温を容易に得ることができる。

【００２９】・ 実施形態の爆発合成装置によれば、多
重円筒法を用いること、さらには金属容器１１の下方に
水を収容した水槽を備えることにより、衝撃圧縮処理後
の残留温度を極力早く拡散させ、相転換により生成した
高圧相物質が残留温度により逆転換することを防止し
て、高圧相物質を効率良く回収することができる。

【００３０】・ 実施形態の爆発合成装置によれば、多
重円筒法により、表面に低圧相物質の薄層が形成された
金属薄板１６ａが金属棒１７に所定間隙をおいて巻き付
けられていることから、得られる超高圧及び超高温を大
容積にわたって、従来法より長時間持続させることがで
きる。

【００３１】・ 従って、実施形態の爆発合成装置によ
れば、低圧相物質から高圧相物質への転換率を高めるこ
とができ、例えば安価な原料低圧相窒化硼素から立方晶
系窒化硼素のような高圧相物質を高転換率で得ることが
できるので、工業上有用である。

【００３２】・ 実施形態の高圧相物質の製造方法によ
れば、前記爆発合成装置を用い、爆薬を金属管の一端側
より起爆させ、低圧相物質を高圧相物質へ相転換させる
ことにより、高圧相物質を容易かつ安価に製造すること
ができる。

【００３３】

【実施例】（実施例１）低圧相物質として低圧相窒化硼
素（ｈＢＮ）８０重量％（ｗｔ％）を用い、それにバイ
ンダーとしてエチルセルローズを２０ｗｔ％をアセトン
を溶媒として混合し、窒化硼素のスラリーを得た。銅製
の金属薄板（厚さ０．１mm、幅２００mm×長さ７３０mm
の銅箔）の上に、この低圧相窒化硼素混合物のスラリー
を、厚さ０．１４mm（かさ密度０．６９ｇ／cm³ ）にな
るように塗布して複合体とした。その複合体を、直径
９．８mmの軟鋼製金属棒に巻きつけ、金属管としての銅
製の試料管（外径２５mm×内径２１mm×長さ２４０mm）
に挿入した。

【００３４】このときの試料管内の装填密度は２．５ｇ
／cm³ であった。試料管の両端には軟鋼製の金属栓（外
径２０．８mm×内径１０mm×長さ２０mm）を圧入した。
これを、４００℃、１０^-3Ｔｏｒｒ、２時間保持してバ
インダーの熱分解処理を行った。処理後の試料管は、金
属容器５（外径７３mm×内径６７mm×長さ２７０mm）の
中心にセットし、その周囲に爆薬４（爆速６５００ｍ／
ｍｉｎ、仮比重１．５）を装填した。これを図１のよう
に配置した。この配置は、合成材料中を伝わった衝撃波
が合成後の材料中に膨張波として返ってくることを防止
できるものであった。

【００３５】次に、爆薬４の一端から６号電気雷管８の
起爆により金属容器内の爆薬をその長手方向に爆轟させ
た。その結果、試料管が衝撃圧縮処理された。次いで、
圧縮処理された試料管を回収した。そして、回収した試
料管を、３０％希硝酸中に入れ、銅を溶解除去した。そ
こから得られた粉体を水洗後、乾燥した。そこへ水酸化
カリウムを混合し、３５０℃、１時間熱処理し、未転換
窒化硼素を溶融させた後、加水洗浄した。前記精製工程
後に得られた生成物は黒色であった。

【００３６】Ｘ線回折分析によると、生成物は高圧相物
質である立方晶系窒化硼素（ｃＢＮ）のみからなり、ウ
ルツ鉱型窒素化硼素（ｗＢＮ）は生成していなかった。
一方、立方晶系窒化硼素への転換率は２１％であった。 （比較例１）実施例１の試料管に、実施例１と同じ低圧
相窒化硼素８０ｗｔ％とフレーク状電解銅粉（１００メ
ッシュパスの粒度）２０ｗｔ％を混合したものを理論密
度の７０％のかさ密度になるように装填した。そして、
実施例１と同様の爆発合成装置を用いて衝撃加圧処理を
行った。さらに、銅粉を除去し、実施例１と同様な精製
処理を行った。

【００３７】この方法によれば、生成物はウルツ鉱型窒
素化硼素のみからなり、立方晶系窒化硼素は生成してい
なかった。一方、ウルツ鉱型窒化硼素への転換率は１８
％であった。

【００３８】なお、前記実施形態を次のように変更して
具体化することも可能である。 ・ 前記キャップ１９を三角錐状、四角錐状、六角錐状
等の角錐状に形成したり、砲弾状に形成したりするこ
と。

【００３９】このように構成した場合、用いる爆発合成
装置の構造に応じ、爆薬１３の爆発による衝撃波が金属
栓１８の上部から金属管１４内に入射するのを防止する
ことができる。

【００４０】・ 筒状収容体として、六角筒状、八角筒
状等の角筒状の金属管を使用したり、材質を金属以外の
ものに代えたりすること。 ・ 支持棒として、四角柱、六角柱等の柱状の金属棒を
用いたり、材質を金属以外のものに代えたりすること。

【００４１】・ 前記電気雷管１５に代えて、導爆線を
用いて爆薬を起爆させること。 ・ 前記表面に低圧相物質の薄層が形成された複数の金
属薄板１６ａを所定間隔をおいて同心円状に形成するこ
と。

【００４２】・ 前記金属容器１１の底部に貼着した厚
紙１２に代えて、金属容器１１として有底円筒状の容器
を使用し、その底面が爆薬１３の起爆によって抜けるよ
うに構成すること。

【００４３】このように構成すれば、金属容器１１の底
部に厚紙１２を貼着する手間を省くことができる。 ・ 図１に示した爆発合成装置を上下逆に配置して使用
したり、横向きに配置して使用したりすること。

【００４４】さらに、前記実施形態より把握される技術
的思想について以下に記載する。 ・ 前記筒状収容体の周囲に爆薬を収容するための金属
容器を、筒状収容体を内部に収納するように配置した請
求項１又は請求項２に記載の爆発合成装置。

【００４５】このように構成した場合、爆薬の起爆によ
る爆轟波を効果的に筒状収容体内部に収束させることが
できる。 ・ 金属薄板上に低圧相物質の薄層が形成されたものの
かさ密度は、０．５〜１．８ｇ／cm³ の範囲である請求
項１又は請求項２に記載の爆発合成装置。

【００４６】このように構成した場合、爆薬による衝撃
圧縮時における発生温度を高く維持することができる。 ・ 前記雷管は、筒状収容体の軸線上に配置されている
請求項２に記載の爆発合成装置。

【００４７】このように構成した場合、爆薬の起爆によ
る爆轟波を筒状収容体内の低圧相物質に均一に収束させ
ることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれば
次のような効果を奏する。第１の発明の爆発合成装置に
よれば、特に多重円筒法の効果により、装填された爆薬
のエネルギーを効率的に利用でき、超高圧及び超高温を
容易に得ることができ、その持続時間を長く保持するこ
とができる。しかも、低圧相物質から高圧相物質への転
換率を高めることができ、高圧相物質の収率を向上させ
て、高圧相物質を安価に製造することができる。

【００４９】従って、この爆発合成装置を用い、例えば
安価な原料である低圧相窒化硼素から立方晶系窒化硼素
のような高圧相物質を高転換率で得ることができるの
で、工業上有用である。

【００５０】第２の発明の爆発合成装置によれば、第１
の発明の効果に加え、筒状収容体に装着される蓋体にキ
ャップを配置したことから、爆薬の起爆による衝撃波が
蓋体の上部から筒状収容体内に入射するのを効果的に防
止することができる。

【００５１】第３の発明の高圧相物質の製造方法によれ
ば、爆発合成装置を用い、爆薬を筒状収容体の一端側よ
り起爆させることから、低圧相物質を高圧相物質へ容易
かつ収率良く相転換させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態における爆発合成装置を示す断面
図。

【図２】 図１の２−２線における拡大断面図。

【図３】 金属薄板と低圧相物質の複合体を巻回した状
態を示す斜視図。

【符号の説明】

１３…爆薬、１４…筒状収容体としての金属管、１５…
電気雷管、１６…複合体、１６ａ…金属薄板、１７…支
持棒としての金属棒、１８…蓋体としての金属栓、１９
…キャップ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両端に蓋体が装着された筒状収容体と、 前記筒状収容体内に収容される支持棒と、 金属薄板上に低圧相物質の薄層が形成された状態で前記
   支持棒に巻き付けられた複合体と、 前記筒状収容体の周囲に配置された所定量の爆薬とを備
   えた爆発合成装置。
2. 【請求項２】 前記筒状収容体の一端の延長線上に雷管
   を配置するとともに、筒状収容体に装着される蓋体にキ
   ャップをその先端が雷管側を向くように装着した請求項
   １に記載の爆発合成装置。
3. 【請求項３】 両端に蓋体が装着された筒状収容体と、 前記筒状収容体内に収容される支持棒と、 金属薄板上に低圧相物質の薄層が形成された状態で前記
   支持棒に巻き付けられた複合体と、 前記筒状収容体の周囲に配置された所定量の爆薬とを備
   え、 前記爆薬を筒状収容体の一端側より起爆させ、低圧相物
   質を高圧相物質へ相転換させる高圧相物質の製造方法。