PL101426B1 - Sposob otrzymywania trudnotopliwych materialow w postaci drobnokrystalicznej i urzadzenie do otrzymywania trudnotopliwych materialow w postaci drobnokrystalicznej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urzadzenie do otrzymywania trudnotopliwych materialów w postaci drobnokrystalicznej, znajdujace zastosowanie do otrzymywania warstw, krysztalów, spieków i proszków sciernych o duzej twardosci, wytrzymalosci na scieranie, wysokiej temperaturze topnienia i odpornych na korozje, w zakresie pokrywania narzedzi skrawajacych, sprawdzianów, kól zebatych, tloczysk, srub pociago¬ wych, do wytwarzania cienkowarstwowych elementów pólprzewodnikowych, do zabezpieczenia przed korozja przewodów do transportu ropy naftowej, goracej wody itp.

Materialami spelniajacymi warunki wytrzymalosci na scieranie, wysokiej temperatury topnienia i odpor¬ nosc na korozje, sa zarówno pierwiastki wystepujace w strukturze fazy metastabilnej, na przyklad diament, jak równiez zwiazki wystepujace najczesciej tez w strukturze fazy metastabilnej takie jak azotek boru o strukturze diamentu (tzw. borazon).

Znany jest z ksiazki K.Th. Wilke „Kristallzuchtung" VEB Deutscher Ulg. D. Wissenschaften Berlin 1973 r. sposób wytwarzania trudnotopliwych materialów drobno krystalicznych, który polega na tym, ze otrzymywanie z grafitu krysztalów diamentu przebiega w prasie hydrostatycznej, w której umieszcza sie grafit a nastepnie pod cisnieniem 65-80 kbarów w temperaturze >2000°C otrzymuje sie proszek diamentowy o sredniej srednicy od 0,1 do 1/xm.

Natomiast diamentopodobny azotek boru tak zwany borazon otrzymuje sie w temperaturze >\ 700-1800°C i pod cisnieniem 55-65 kbarów.

W sposobie tym stosuje sie katalizatory na przyklad w przypadku diamentu metale przejsciowe takie jak nikiel, zas w przypadku borazonu metale I i 11 grupy ukladu okresowego takie jak sód i magnez.

Znane urzadzenie do stosowania tego sposobu, sklada sie z hydrostatycznej prasy stemplowej typu „belt",% której stempel wykonany jest ze stali specjalnej, zas powierzchnie robocze pokryte sa warstwa weglików.

Znany jest równiez sposób wytwarzania trudnotopliwych materialów metastabilnych drobnokrystalicznych przeprowadzany w warunkach dynamicznych, który polega na tym, ze do syntezy proszków diamentu z grafitu2 101 426 i borazonu a azotku boru stosuje sie eksplozyjnie cisnienia oraz temperatury, przy czym stosowane cisnienia i temperatury sa podobne do sposobów przeprowadzanych w warunkach statycznych.

Wada sposobów wytwarzania trudnotopliwych materialów drobnokrystalicznych zarówno w warunkach statycznych jak i dynamicznych jest koniecznosc stosowania reaktorów odpornych na wysokie cisnienie i temperature.

Znany z opisu patentowego francuskiego nr 1366544, sposób otrzymywania proszku diamentowego lub cienkich warstw diamentowych, polega na tym, ze cyklopentan w postaci gazowej umieszcza sie w szczelnym zbiorniku i poddaje ogrzaniu do temperatury 800-1200°C wobec katalizatorów, którymi sa pierwiastki V grupy ukladu okresowego i w wyniku tego procesu otrzymuje sie produkt wyjsciowy.

Natomiast znany z ksiazki CR. Valese'a „Fine Powders, Preparation, Properties und Uses" Applied Science Publishers Ltd, Londyn 1972, sposób wytwarzania trudnotopliwych i twardych materialów nie bedacych wstanie metastabilnym, w postaci proszków lub warstw dimentowych, polega na tym, ze przy pomocy palnika plazmowego wytwarza sie luk stacjonarny wysokiej intensywnosci to jest o natezeniu pradu elektrycznego 10 kA w gazie obojetnym, ewentualnie z dodatkiem wodoru. Luk ten wytwarza sie pomiedzy dwiema elektrodami, z których jedna jest wykonana z materialu, który ma byc rozdrobniony na proszek diamentowy.

Material moze byc równiez wprowadzany w przestrzen miedzyelektrodowa w postaci proszku lub dodatkowego preta, który umieszcza sie w obszarze luku elektrycznego, w którym material ten ulega stopnieniu.

Material w postaci cieklej lub gazowej wraz z plazma wyplywa przez wylot pistoletu, którym jest druga elektroda chlodzona woda. W wyniku rozprezenia adiabatycznego stygnie plazma, zas trudnotopliwy material krystalizuje sie.

Znane urzadzenie do stosowania tego sposobu, zawiera komore wyposazona w otwory — wlotowy gazu i wylotowy plazmy, w której umieszczone sa naprzeciwlegle dwie elektrody. Jedna z elektrod wykonana jest z materialu, który ma byc przerabiany w postac proszku. Natomiast druga elektroda jest chlodzona woda i stanowi element kanalu wylotowego komory. Ponadto urzadzenie to, posiada dozownik tego proszku polaczony poprzez otwór wlotowy z komora.

Wada tego sposobu i urzadzenia jest to, ze nie mozna otrzymac materialu wstanie metastabilnym ze wzgledu na mala predkosc chlodzenia. Wada jest równiez to, ze otrzymane krysztaliki sa stosunkowo duze i przy otrzymywaniu z nich warstwy, musza byc w postaci cieklej albo plastycznej, co z kolei powoduje powstawanie duzych naprezen termicznych w warstwie i podlozu.

Znany z ksiazki W.G. Chase'a i H.K. Moore'a „Exploding wires" Plenum Press N.Y. 1062, sposób wytwarzania materialów trudnotopliwych w postaci drobnokrystalicznej metoda impulsowa, polega na gwaltow¬ nym odparowaniu przewodnika elektrycznego wykonanego z materialu, który ma byc rozdrobniony na proszek.

Przez przewodnik ten przepuszcza sie impuls pradu o duzym natezeniu i energii okolo 1 J/mg przewodnika.

Parujacy material przewodnika w otaczajacej atmosferze szybko stygnie i zestala sie w postaci drobnokrystalicz¬ nej.

Istota wynalazku. Sposób zgodnie z wynalazkiem polega na tym, ze miedzy elektrodami wytwarza sie impulsowe wybuchowe wyladowanie elektryczne wytwarzajace w przestrzeni miedzyelektrodowej plazme, która sie nastepnie poddaje sciskaniu impulsowym polem magnetycznym, które synchronizuje sie z impulsami wyladowan elektrycznych po czym plazme rozpreza sie po zakonczeniu impulsu pola magnetycznego i wyladowania elektrycznego.

Urzadzenie wedlug wynalazku wyróznia sie tym, ze szczelna komora ceramiczna umieszczona jest symetrycznie w polu magnetycznym elektromagnesu. Wewnatrz elektromagnesu znajduja sie co najmniej dwie elektrody usytuowane przeciwlegle w regulowanej odleglosci. Przestrzen miedzy plaszczyznami czolowymi elektrod jest objeta pojedynczym zwojem przewodnika pradu polaczonym z drugim zródlem impulsów pradowych, które poprzez uklad synchronizacji czasowej polaczony jest z pierwszym zródlem impulsów pradowych.

Korzystne jest, jesli jedna z elektrod zaopatrzona jest w wlot gazu, zas w przestrzeni miedzy powierzchnia¬ mi czolowymi elektrod usytuowany jest wylot gazu.

Korzystne skutki techniczne wynalazku. Zgodnie z wynalazkiem sposób i urzadzenie zapewniaja stosunko¬ wo proste otrzymywanie trudnotopliwych metastabilnych materialów w postaci wysoko dyspresyjnego aerozolu.

Aerozol taki jako material wyjsciowy mozna w prosty sposób, operujac strumieniami aerodynamicznymi oraz odpowiednio uksztaltowanym polem elektrycznym i magnetycznym, kierowac i transportowac do dalszego stosowania. Zaleta jest równiez to, ze do syntezy wykorzystuje sie sciskana plazme zapewniajac wysoka temperature i wysokie cisnienie bez potrzeby stosowania specjalnych autoklawów do krystalizacji pod wysokim cisnieniem i wysokiej temperaturze. Ponadto substraty wyjsciowe mozna ograniczyc do minimum obecnosci101 426 3 atomów czy czasteczek ubocznych, a wrecz ograniczyc sie tylko do tych skladników, które w calosci zostana uzyte na produkt. Pozwala to na eliminacje substancji agresywnych chemicznie i trujacych jak na przyklad amoniak, chlorki metali itp. Jest to korzystne z trojakiego punktu widzenia ze wzgledu na ochrone srodowiska, na stopien czystosci produktu i usuniecie koniecznosci stosowania urzadzen odpornych na korozje chemiczna.

Objasnienie rysunku. Przedmiot wynalazku w czesci dotyczacej sposobu wyjasniony jest w przykladzie wykonania na fig. 1 rysunku, która przedstawia urzadzenie w przekroju podluznym z obnizonym cisnieniem w komorze, zas urzadenie w przykladzie wykonania uwidocznione jest na fig. 2 rysunku, która przedstawia urzadzenie w przekroju podluznym z cisnieniem atmosferycznym w komorze, natomiast fig. 3 przedstawia przekrój poprzeczny urzadzenia w plaszczyznie miedzyelektrodowej.

Przyklady wykonania. Sposób wedlug wynalazku, polega na tym, ze w komorze 3 urzadzenia uwidocznionego na fig. 1 rysunku umieszcza sie szczelnie elektrody 1 i 2 usytuowane przeciwlegle. Plaszczyzny czolowe pokrywa sie spiekiem boru z dodatkiem 1—5% baru. Nastepnie wnetrze komory 3 odpompowuje sie za pomoca pompy P do cisnienia od 10~5Tr do 10~4Tr. Do czesci elektrod 1 i 2 wystajacych poza komore 3 dolacza sie poprzez uklad S synchronizacji czasowej zródlo Z1 impulsów pradowych. Do wlotu 7 gazu dolacza sie poprzez elektromagnetyczny zawór 8 zbiornik z mieszanina azotu i wodoru w stosunku 3:1. Cisnienie mieszaniny gazów w zbiorniku utrzymuje sie na poziomie okolo 0,05—1 atm, ponad cisnienie atmosferyczne, po czym zawór 8 laczy sie z ukladem S synchronizacji czasowej. Impulsy wyzwalajace z ukladu S, które steruja zawór 8 ustala sie tak, aby wstrzykiwanie gazu nastepowalo w czasie od 0,1—5 ms przed zainicjowaniem wyladowania elektrycznego miedzy elektrodami 1 i 2. Zainicjowanie impulsu pradu plynacego przez zwój 6 przewodnika pradu nastepuje jednoczesnie z wyladowaniem elektrycznym pomiedzy elektrodami 1 i 2 lub w odstepie czasu nie wiekszym niz 5 ms. W czasie wyladowania elektrycznego miedzy elektrodami 1 i 2 w atmosferze gazów wstrzyknietych przez zawór 8 przechodzi gaz w stan plazmy oraz czesc materialu elektrody przechodzi równiez wstan plazmy. Pc czym plazmy te miesza sie i za pomoca pola magnetycznego wytwarzanego przez zwój 6 przewodnikaWyrzuca sie te plazme z przestrzeni miedzyelektrodowej z predkoscia 106 m/s. W czasie wyrzucenia plazmy nastepuje stygniecie plazmy i synteza borazonu, a nastepnie jego kondensacja do postaci wysokodyspresyjnego aerozolu. Czastki aerozolu osiadaja sie na podlozu umieszczonym na przeciw wylotu 7 w odleglosci od 50—100 cm, tworzac w temperaturze pokojowej cienka warstwe borazonu.

Caly ten proces powtarza sie co 1—15sek i po czasie 5—30 min otrzymuje sie warstwe borazonu o grubosci od 400 A'do kilku jLim.

Jak uwidoczniono na fig. 2 rysunku, urzadzenie ma szczelna komore 3 ceramiczna z ceramiki aiundowej, wewnatrz której przeciwlegle wzgledem siebie i w regulowanej odleglosci od siebie znajduje sie para elektrod 1 i 2 wykonanych z materialu przeznaczonego do reakcji to jest z tytanu. Przez otwór 7 w elektrodzie 1 doprowadzany jest w sposób ciagly gaz stanowiacy mieszanine metanu z wodorem. W przestrzeni miedzy plaszczyznami czolowymi elektrod 1 i 2 znajduje sie kanal 4 wyprowadzajacy produkty w kierunku radialnym z komory. Komora 3 wraz z elektrodami 1 i 2 umieszczona jest symetrycznie w polu eletromagnesu 5 pradu stalego tak, ze kierunek linii sil pola magnetycznego jest równolegly do osi elektrod 1 i 2 i kierunku przeplywu pradu elektrycznego. Elektrody 1 i 2 polaczone sa z bateria kondensatorów ladowanych ze zródla Z1 impulsów pradowych do napiecia niewystarczajacego do samoistnego wywolania wyladowania elektrycznego miedzy elektrodami 1 i 2. Celem wywolania wyladowania w odpowiednim czasie i z odpowiednia czestotliwoscia powtarzania doprowadza sie impulsy wysokiego napiecia do jednej z pary elektrod 1 i 2 przez uklad S synchronizacji czasowej. Komora 3 wraz z elektrodami 1 i 2 otoczona jest w swej srodkowej czesci, na wysokosci przestrzeni miedzy obiema elektrodami 1 i 2, jednym zwojem 6 przewodnika pradu w postaci chlodzonego pierscienia miedzianego z przerwa, przez który przepuszcza sie impulsy pradu elektrycznego o natezeniu najlepiej kilkunastu kA z osobnej baterii kondensatorów ladowanych z oddzielnego zródla Z2 impulsów pradowych.

Zródlo Z2 i zródlo Z1 zasilajace elektrody 1 i 2 sa polaczone ze soba poprzez uklad S synchronizacji czasowej co zapewnia czasowa zbieznosc impulsów pola magnetycznego i impulsów wyladowania elektrycznego. Plazme z gazu i z materialu dwóch elektrod 1 i 2 wytwarza sie przez impulsowe wyladowanie elektryczne miedzy tymi elektrodami poddajac je przez przeciag czasu trwania impulsu pradowego sciskaniu w impulsowym polu magnetycznym wytwarzanym przez zwój 6 tak, ze oba impulsy pradowy i magnetyczny koncza sie jednoczesnie.

Od momentu konczenia sie impulsów pola magnetycznego i wyladowan elektrycznych przebiega w plazmie synteza chemiczna, kondensacja i rozprezenie sie scisnietej plazmy z predkoscia nadzwiekowa umozliwiajac chlodzenie produktów syntezy plazmowej z szybkoscia nieosiagalna innymi sposobami. Rozprezajaca sie plazma reaguje z wybrana mieszanina gazów, stosowana jako osrodek, wprowadzanym przez otwór 7 a w niektórych przypadkach stanowi substrat przeplywajacy przez przestrzen otaczajaca elektrody 1 i 2. Produkt w postaci4 101 426 aerozolu jest wyprowadzany z otoczenia elektrod 1 i 2 krystalizacji, lub wytworzenia warstw. i skierowany do dalszej przeróbki, na przyklad

Claims (3)

Zastrzezenia patentowe

1. Sposób otrzymywania trudnotopliwych materialów w postaci drobnokrystalicznej polegajacy na wykorzystaniu wysokotemperaturowej i cisnieniowej syntezy chemicznej oraz przemiany fazowej, w którym substratem reakcji chemicznej jest material przynajmniej jednej z elektrod i gaz wstanie plazmy, znamienny tym, ze miedzy elektrodami wytwarza sie impulsowe wybuchowe wyladowanie elektryczne wytwarzajace w przestrzeni miedzy elektrodowej plazme, która sie nastepnie poddaje sciskaniu impulsowym polem magnetycznym, które synchronizuje sie z impulsami wyladowan elektrycznych, po czym plazme rozpreza sie po zakonczeniu impulsu pola magnetycznego i wyladowania elektrycznego.

2. Urzadzenie do otrzymywania trudnotopliwych materialów w postaci drobnokrystalicznej, skladajace sie z komory wewnatrz której umieszczone sa co najmniej dwie elektrody usytuowane przeciwlegle, z których co najmniej jedna jest zródlem substratu do reakcji plazmowej, znamienne tym, ze komora (3) umieszczona jest symetrycznie w polu magnetycznym elektromagnesu (5) wewnatrz którego znajduja sie co najmniej dwie elektrody (1 i 2) usytuowane przeciwlegle i w regulowanej odleglosci, przy czym przestrzen miedzy plaszczyzna¬ mi czolowymi elektrod (1 i 2) jest objeta pojedynczym zwojem (6) przewodnika pradu, polaczonym ze zródlem (Z2) impulsów pradowych, które poprzez uklad (S) synchronizacji czasowej jest polaczony ze zródlem (Z1) impulsów pradowych, zasilajacych elektrody (1 i 2).

3. Urzadzenie wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze elektroda (1) zaopatrzona jest w wlot (7) gazu, zas w przestrzeni miedzy powierzchniami czolowymi elektrod (1 i 2) usytuowany jest wylot (4) gazu. 7 7 8 5 2 Z, i~Q fig. 1101 426 1 7. \ \ .w\\\;o-vó ," V^VS| s\\vy^ $j i i i i i i i i i ttI ¦'¦'•'V' '' L ny Fig.2 Fig. 3