WO2023068969A1 - Electric heating element and high-pressure cell - Google Patents

Electric heating element and high-pressure cell Download PDF

Info

Publication number
WO2023068969A1
WO2023068969A1 PCT/RU2022/050326 RU2022050326W WO2023068969A1 WO 2023068969 A1 WO2023068969 A1 WO 2023068969A1 RU 2022050326 W RU2022050326 W RU 2022050326W WO 2023068969 A1 WO2023068969 A1 WO 2023068969A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heating element
conductive material
electric heating
electrically conductive
element according
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/050326
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович КОЛЯДИН
Теймураз Юрьевич ХИХИНАШВИЛИ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственный Комплекс "Алмаз" (Ооо "Нпк "Алмаз")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2021130416A external-priority patent/RU2771977C1/en
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственный Комплекс "Алмаз" (Ооо "Нпк "Алмаз") filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственный Комплекс "Алмаз" (Ооо "Нпк "Алмаз")
Publication of WO2023068969A1 publication Critical patent/WO2023068969A1/en

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/06—Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material

Definitions

  • the proposed invention in general, relates to the field of production and/or processing of superhard materials, in particular diamonds, by the high pressure and high temperature method (High Pressure/High Temperature, HPNT).
  • HPNT High Pressure/High Temperature
  • the present invention relates to an electric heating element capable of being installed in a high pressure cell for producing and/or processing superhard material by HPHT, a high pressure cell and a method for producing and/or processing superhard material by HPHT.
  • HPHT method is traditionally used to produce various superhard materials such as diamond single crystals, diamond polycrystals, diamond powders, cubic boron nitride, etc., as well as to process diamonds to give them special properties.
  • one of the well-known methods for obtaining diamonds involves the treatment of carbon, for example, in the form of graphite, with high pressure and temperature in the presence of a metal solvent catalyst in a high pressure cell, as disclosed in US patents 4340576 and US 4617181.
  • a metal solvent catalyst in a high pressure cell, as disclosed in US patents 4340576 and US 4617181.
  • This processing is carried out at pressure and temperature, the values of which are in the diamond stability field on the carbon phase diagram.
  • HPHT equipment such as cube presses, belt presses, toroidal presses, pressless machines. "cut sphere” type and others.
  • HPV high-pressure cell
  • HPNT equipment With the help of HPNT equipment, the necessary pressure and temperature are created in the HPT, as a result of which the processing and/or production of superhard materials takes place.
  • the JVD body is made from various ceramic materials or a mixture of ceramic material with any other suitable materials.
  • JVDs with a body made of pyrophyllite (author's certificate SU 636515), zirconium dioxide (patent RU 152200), or a mixture of cesium chloride with ceramic material (author's certificate SU 1814218) are known.
  • the heater material is graphite or mixtures of graphite with other suitable materials.
  • the heater may be plate-shaped, cylindrical, or any other suitable shape.
  • the creation and maintenance of the given parameters of the temperature field with the necessary temperature gradients in the HPT is a complex and very important task, especially in the case of growing diamond single crystals by the method temperature gradient.
  • the conditions for crystal growth are determined by the magnitude of the temperature gradient between the carbon source and the growing crystals.
  • to create a temperature field with given temperature gradients not one, but several heaters are used (application US 2012/0312227, patent US 10252233).
  • One disadvantage of all such multi-heater systems is their complexity. The presence of several current-carrying circuits noticeably complicates the design of the NPV, and, as a result, leads both to the complication of the process control system and a decrease in its reliability and stability, and to an increase in the cost of production.
  • the shape of the temperature field depends on the materials of the reaction zone, their thermal conductivity, geometry, etc.
  • One of the ways to create the necessary temperature field in the reaction zone is to change the materials used, which make up the JVD. But this method is limited by a rather short list of materials that can work under the conditions of the HPHT method.
  • the problem solved by the proposed invention is the creation of an improved design of the high-pressure cell, which provides the possibility of a simpler and more reliable creation of the necessary temperature field and its control both for the production of superhard materials and for their processing.
  • an electrical heating element capable of being installed in a high pressure cell for producing and/or processing a superhard material using a high pressure high temperature (HPHT) process, characterized in that it is made of at least one electrically conductive material. and at least one non-conductive material, wherein the weight ratio of said at least one electrically conductive material to said at least one non-conductive material varies in the electrical heating element along at least one direction.
  • HPHT high pressure high temperature
  • the electrically conductive material may be selected, without limitation, from, for example, carbon (C) in any electrically conductive allotropic modification, lanthanum chromite (LaCrO3), platinum (Pt), tantalum (Ta), rhenium (Re), or mixtures thereof.
  • C carbon
  • LaCrO3 lanthanum chromite
  • Pt platinum
  • Ta tantalum
  • Re rhenium
  • the electrically conductive material may be carbon (C) in any electrically conductive allotropic modification.
  • the non-conductive material of the electrical heating element may be selected, without limitation, from, for example, carbon (C) in any non-conductive allotropic modification, zirconia (ZrCh), cesium chloride (CsCl), sodium chloride (NaCl), oxide magnesium (MgO), chromium oxide (CrO3) and mixtures thereof.
  • C carbon
  • ZrCh zirconia
  • CsCl cesium chloride
  • NaCl sodium chloride
  • MgO oxide magnesium
  • CrO3 chromium oxide
  • the non-conductive material may be zirconia (ZrCh).
  • the non-conductive material may be carbon (C) in any non-conductive allotropic modification.
  • the weight ratio of electrically conductive material to non-conductive material may decrease from the end portions of the electrical heating element towards the portion of the electrical heating element where the maximum temperature is to be generated.
  • the part of the electric heating element in which it is necessary to create the maximum temperature is its central part.
  • the weight ratio of electrically conductive material to non-conductive material may vary from 100 wt%, to 0 wt%, at the ends of the electric heating element to 50 wt%, to 50 wt%, in the central part of the electric heating element.
  • the weight ratio of electrically conductive material to non-conductive material may vary from 95 wt%, to 5 wt%, in the end portions of the electric heating element to 70 wt%, to 30 wt%, in the central portion of the electric heating element.
  • the mass ratio conductive material to non-conductive material can vary from 90 wt%, to 10 wt%, in the end parts of the electric heating element to 80 wt%, to 20 wt%, in the central part of the electric heating element.
  • the weight ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material may vary continuously.
  • the weight ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material may vary in steps.
  • the mass ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material may change disproportionately or without any patterns at all (randomly).
  • the electrical heating element may be made of boron-doped diamond.
  • the boron content in the diamond crystal lattice in the central part of the electric heating element, is 0.5 wt. %, and at the edges of the electric heating element, the boron content in the diamond crystal lattice increases to 3 wt.
  • the change in composition is proportional to the distance from the center of the electric heating element.
  • the electrical heating element may be cylindrical, tubular, lamellar or otherwise.
  • a high pressure cell for producing and/or processing a superhard material using a high pressure high temperature (HPHT) process, characterized in that it contains the above electrical heating element.
  • HPHT high pressure high temperature
  • a process for producing and/or processing a superhard material using a high pressure high temperature (HPHT) process first, a high pressure cell containing an electrical a heating element. Then the high-pressure cell is placed in the high-pressure apparatus, the necessary pressure is created in the high-pressure cell, the high-pressure cell is heated by supplying power to the electric heating element to ensure the formation of a temperature gradient in the said cell, the power supply to the electric heating element is stopped, the pressure is released, and removing the high pressure cell from the high pressure apparatus. At the same time, the specified temperature gradient is formed using the electric heating element disclosed above.
  • the superhard material that is obtained and/or processed in the proposed method is a diamond single crystal, a diamond polycrystal, diamond powder, or cubic boron nitride.
  • the technical result provided by the proposed invention is to provide the possibility of creating the necessary temperature gradient in the HP and controlling the configuration of the thermal field inside the reaction zone without changing the composition and geometry of the cell elements using only one electric heating element.
  • the specified technical result is achieved by the fact that the electric heating element is made of electrically conductive and non-conductive materials not with a uniform composition throughout the heater, but from such a composition in which the mass ratio of one material to another changes over the heater.
  • the ratio of the electrically conductive material to the non-conductive material in different parts of the heater it is possible to create the necessary temperature field for the production and/or processing of materials in the JVD by the HPNT method.
  • figure 1 shows a schematic representation of the high pressure cell
  • figure 2 shows a schematic representation of an electric heating element in accordance with the proposed invention and the configuration of the thermal field created by it.
  • a high pressure cell for the production and/or processing of superhard materials by the HPHT method, a high pressure cell is provided.
  • An electric heating element 1 is placed in the high-pressure cell housing, made of ceramic or other suitable material.
  • An insulating sleeve (not shown) with an upper insulating washer 2 and a lower insulating washer 3 is placed inside the heating element, forming a reaction zone, inside which a source 4 is located.
  • carbon usually in the form of graphite or other diamond or non-diamond form of carbon, and a catalyst metal 5.
  • the catalyst metal 5 may be iron, cobalt, nickel or manganese, or mixtures of these metals, including with the addition of any other suitable elements.
  • a substrate 6 with a diamond seed 7 located on it is placed in the HPC. Above and below the HPC, an upper current lead 8 and a lower current lead 9 are provided for supplying electric power to the electric heating element 1.
  • a high pressure apparatus which may be any suitable apparatus suitable for the production of superhard materials, such as a cube press, a belt press, a toroidal press, a split sphere pressless apparatus, or other device that provides the ability to create high pressure.
  • a high pressure is created in the JVD, usually in excess of 4.5 GPa.
  • the pressure may be between 4.5 and 10 GPa.
  • the high-pressure cell is heated and, as a result, the reaction zone is heated by supplying electric current to the heating element to ensure the formation of a temperature gradient in the JVD.
  • the heating power is increased at a rate of 30 watts per minute.
  • the heating power is reached, for example, 6.5 kW, the operator stops the process of increasing the power.
  • a soak in one embodiment, for example about 300 hours, the operator stops the heating.
  • the JVD is removed from the high-pressure apparatus. Inside the cell is a diamond single crystal.
  • the creation and maintenance of the given parameters of the temperature field with the necessary temperature gradients in the HPT is a complex and very important task, especially in the case of growing diamond single crystals by the temperature gradient method.
  • the conditions for crystal growth are determined by the magnitude of the temperature gradient between the carbon source and the growing crystals.
  • the carbon of the source which is at a temperature of T1
  • dissolves in the catalyst metal then the carbon is transferred (diffuses) by convective flows to the zone where the diamond seed is located.
  • the seed is at a temperature T2 ⁇ T1. Carbon is deposited on the seed, crystal growth occurs. If the temperature difference between T1 and T2 is small, the growth rate will not be sufficient for cultivation. Conversely, if there is a large difference between T1 and T2, the growth rate will be too high and the crystal will grow with numerous defects.
  • the required temperature gradient between the carbon source and the growing crystal is provided using an electrical heating element made of at least one electrically conductive material and at least one non- electrically conductive material, while the mass ratio of the specified at least one electrically conductive material to the specified at least one non-conductive material is changed in the electrical heating element along at least one direction, as shown in FIG.
  • the electric heating element is in the form of a hollow cylinder (tubular shape).
  • the heating element may have, for example, lamellar or other suitable shape.
  • the heating element is made of a mixture of graphite and non-carbon material, such as cubic zirconia, and the mass ratio of graphite and non-carbon material varies from the ratio of 95% of the mass, graphite and 5% ZrCh in the cold end parts of the HP to 70% graphite and 30% ZrCh in the HP part , in which it is necessary to create the maximum temperature.
  • the mass ratio of the amount of graphite and non-carbon material change continuously, for example, linearly, in accordance with any dependence or without it.
  • the mass ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material can also change in steps, or change continuously in some parts of the heating element, and in steps in others.
  • changing the composition of the mixture from which the heating element is made ensures the creation of a temperature field gradient.
  • the proposed heating element is a chain of resistors connected in series with different electrical conductivity, which ensures the creation of a temperature gradient.
  • electrically conductive material such as lanthanum chromite LaCrO3 or high melting point metals such as platinum Pt, tantalum Ta or rhenium Re or their alloys, or diamond doped with boron, or diamond doped with any other element, increasing its electrical conductivity.
  • lanthanum chromite LaCrO3 high melting point metals such as platinum Pt, tantalum Ta or rhenium Re or their alloys, or diamond doped with boron, or diamond doped with any other element, increasing its electrical conductivity.
  • any non-conductive allotropic modification for example, in the form of diamond, which does not contain alloying elements, can be used as non-conductive, increasing its electrical conductivity.
  • the high-pressure cell consists of a ceramic shell, a graphite heater made in the form of a cylinder, the heater is locked from above and below by current-carrying washers connected to the current leads.
  • the heater is made by pressing from a mixture of graphite and stabilized cubic zirconia.
  • the heater consists of 80% of the mass, graphite and 20% of the mass.
  • ZrO 2 At the edges of the heater, its composition is a mixture of 90 wt% graphite and 10 wt%. ZrO 2 .
  • a cylindrical source of carbon in the form of graphite.
  • a metal washer made of a mixture of Fe and Co.
  • a substrate made of ceramic material, with a seed pressed into it - a diamond crystal.
  • the JVD is placed in a cubic press, and with the help of a press, a pressure of more than 4.5 GPa is created in the cell.
  • the heating power is increased at a rate of 30 W per minute.
  • the heating power reaches 6.5 kW, the operator stops the process of increasing the power. After a 300-hour exposure, the operator turns off the heating. After the pressure is released, the JVD is taken out of the cubic press. Inside the cell is a single crystal of diamond weighing 25 carats.
  • composition of the heater smoothly changes from 70 wt%, graphite and 30 wt%.
  • ZrO 2 in the central part of the JVD up to 90% of the mass, graphite and 10% of the mass.
  • ZrO 2 along the edges, and the change in composition is carried out in proportion to the distance from the center of the JVD.
  • a single crystal of diamond weighing 55 carats is located inside the cell.
  • the heater is made of diamond doped with boron, while in the central part of the heater the boron content in the diamond lattice is 0.5 wt%, and at the edges of the heater the boron content increases to 3%. And mass., and the change in composition is carried out in proportion to the distance from the center of the cell.
  • the JVD is placed in a cubic press, and with the help of a press, a pressure of more than 15 GPa is created in the cell.
  • NPD nano-polycrystal diamond

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Proposed are an electric heating element, a high-pressure cell and a method of producing and/or treating a superhard material using a high-pressure high-temperature process. A high-pressure cell contains an electric heating element made from at least one electrically conductive material and at least one non-electrically conductive material, wherein the mass ratio of said at least one electrically conductive material to said at least one non-electrically conductive material varies in the electric heating element along at least one direction.

Description

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ЯЧЕЙКА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ELECTRIC HEATING ELEMENT, HIGH PRESSURE CELL
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ FIELD OF TECHNOLOGY
Предложенное изобретение, в целом, относится к области получения и/или обработки сверхтвердых материалов, в частности алмазов, методом высокого давления и высокой температуры (High Pressure/High Temperature, НРНТ). В частности, предложенное изобретение относится к электрическому нагревательному элементу, выполненному с возможностью установки в ячейке высокого давления для получения и/или обработки сверхтвердого материала методом НРНТ, ячейке высокого давления и способу получения и/или обработки сверхтвердого материала методом НРНТ. The proposed invention, in general, relates to the field of production and/or processing of superhard materials, in particular diamonds, by the high pressure and high temperature method (High Pressure/High Temperature, HPNT). In particular, the present invention relates to an electric heating element capable of being installed in a high pressure cell for producing and/or processing superhard material by HPHT, a high pressure cell and a method for producing and/or processing superhard material by HPHT.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ BACKGROUND OF THE INVENTION
Метод НРНТ традиционно используется для изготовления различных сверхтвёрдых материалов, таких как монокристаллы алмаза, поликристаллы алмаза, алмазные порошки, кубический нитрид бора и пр., а также для обработки алмазов для придания им специальных свойств. The HPHT method is traditionally used to produce various superhard materials such as diamond single crystals, diamond polycrystals, diamond powders, cubic boron nitride, etc., as well as to process diamonds to give them special properties.
В частности, один из широко известных методов получения алмазов включает в себя обработку углерода, например, в форме графита, высоким давлением и температурой в присутствии металлического катализатора-растворителя в ячейке высокого давления, как раскрыто в патентах US 4340576 и US 4617181. Катализатор- растворитель обычно выполнен из железа, кобальта, никеля или марганца или из смеси указанных металлов, в том числе с добавлением любых других подходящих элементов. Эта обработка производится при давлении и температуре, значения которых находятся в поле стабильности алмаза на фазовой диаграмме углерода. In particular, one of the well-known methods for obtaining diamonds involves the treatment of carbon, for example, in the form of graphite, with high pressure and temperature in the presence of a metal solvent catalyst in a high pressure cell, as disclosed in US patents 4340576 and US 4617181. usually made of iron, cobalt, nickel or manganese, or a mixture of these metals, including with the addition of any other suitable elements. This processing is carried out at pressure and temperature, the values of which are in the diamond stability field on the carbon phase diagram.
При этом методе используют специальное оборудование НРНТ, например, кубические прессы, ленточные прессы, тороидальные прессы, безпрессовые аппараты типа «разрезная сфера» и другие. Обрабатываемый материал размещают в ячейке высокого давления (ЯВД), которую помещают в специальное оборудование НРНТ. В ЯВД при помощи оборудования НРНТ создаётся необходимое давление и температура, в результате чего происходит обработка и/или получение сверхтвёрдых материалов. This method uses special HPHT equipment, such as cube presses, belt presses, toroidal presses, pressless machines. "cut sphere" type and others. The processed material is placed in a high-pressure cell (HPV), which is placed in special HPNT equipment. With the help of HPNT equipment, the necessary pressure and temperature are created in the HPT, as a result of which the processing and/or production of superhard materials takes place.
Обычно корпус ЯВД изготавливается из различных керамических материалов или смеси керамического материала с любыми другими подходящими материалами. Например, известны ЯВД с корпусом из пирофиллита (авторское свидетельство SU 636515), диоксида циркония (патент RU 152200), или смеси хлористого цезия с керамическим материалом (авторское свидетельство SU 1814218). Typically, the JVD body is made from various ceramic materials or a mixture of ceramic material with any other suitable materials. For example, JVDs with a body made of pyrophyllite (author's certificate SU 636515), zirconium dioxide (patent RU 152200), or a mixture of cesium chloride with ceramic material (author's certificate SU 1814218) are known.
При этом методе очень важно точно управлять температурой процесса, так как отклонение от требуемой температуры может привести к тому, что требуемый продукт не будет получен. В частности, при отклонении от требуемой температуры в меньшую сторону может не быть достигнута точка плавления металла-катализатора и, следовательно, не произойдет последующий фазовый переход графита в алмаз. С другой стороны, в случае превышения требуемой температуры процесс может выйти из поля стабильности алмаза и на выходе будет получен графит. В случае выращивания кристалла на затравку превышение требуемой температуры может привести к увеличению разницы температуры между источником углерода и растущим кристаллом и как следствие - к увеличению скоростей роста, дефектности кристалла и т.д. И наоборот, изменение требуемой температуры в меньшую сторону может уменьшить разницу температур между источником углерода и растущим кристаллом, что может привести к уменьшению скорости или даже к полной остановке роста кристалла. With this method, it is very important to accurately control the process temperature, as a deviation from the desired temperature can result in the desired product not being obtained. In particular, if the required temperature deviates to a lower side, the melting point of the catalyst metal may not be reached and, consequently, the subsequent phase transition of graphite into diamond will not occur. On the other hand, if the required temperature is exceeded, the process may leave the diamond stability field and graphite will be obtained at the output. In the case of growing a crystal on a seed, an excess of the required temperature can lead to an increase in the temperature difference between the carbon source and the growing crystal and, as a consequence, to an increase in growth rates, crystal defects, etc. Conversely, lowering the required temperature can reduce the temperature difference between the carbon source and the growing crystal, which can lead to a decrease in the rate or even to a complete cessation of crystal growth.
Для создания необходимой температуры обычно используют электрические нагреватели, которые помещают в ЯВД. Традиционно материалом нагревателей служит графит или смеси графита с другими подходящими материалами. Нагреватель может быть выполнен в виде пластин, иметь цилиндрическую форму или любую другую подходящую форму. To create the required temperature, electric heaters are usually used, which are placed in the JVD. Traditionally, the heater material is graphite or mixtures of graphite with other suitable materials. The heater may be plate-shaped, cylindrical, or any other suitable shape.
Создание и поддержание заданных параметров температурного поля с необходимыми температурными градиентами в ЯВД является сложной и очень важной задачей, особенно в случае выращивания монокристаллов алмаза методом температурного градиента. При этом методе условия роста кристаллов определяются величиной температурного градиента между источником углерода и растущими кристаллами. В ряде случаев для создания температурного поля с заданными градиентами температур используется не один, а несколько нагревателей (заявка US 2012/0312227, патент US 10252233). Одним из недостатков всех таких многонагревательных систем является их сложность. Наличие нескольких токоведущих контуров заметно усложняет конструкцию ЯВД, и, как следствие, приводит как к усложнению системы управления процессами и снижению её надежности и стабильности, так и к удорожанию производства. The creation and maintenance of the given parameters of the temperature field with the necessary temperature gradients in the HPT is a complex and very important task, especially in the case of growing diamond single crystals by the method temperature gradient. With this method, the conditions for crystal growth are determined by the magnitude of the temperature gradient between the carbon source and the growing crystals. In some cases, to create a temperature field with given temperature gradients, not one, but several heaters are used (application US 2012/0312227, patent US 10252233). One disadvantage of all such multi-heater systems is their complexity. The presence of several current-carrying circuits noticeably complicates the design of the NPV, and, as a result, leads both to the complication of the process control system and a decrease in its reliability and stability, and to an increase in the cost of production.
Кроме того, в стандартной схеме форма температурного поля зависит от материалов реакционной зоны, их теплопроводности, геометрии и т.д. Один из способов создания необходимого температурного поля в реакционной зоне - изменение используемых материалов из которых состоит ЯВД. Но этот способ ограничен довольно коротким списком материалов, способных работать при условиях метода НРНТ. In addition, in the standard scheme, the shape of the temperature field depends on the materials of the reaction zone, their thermal conductivity, geometry, etc. One of the ways to create the necessary temperature field in the reaction zone is to change the materials used, which make up the JVD. But this method is limited by a rather short list of materials that can work under the conditions of the HPHT method.
Таким образом, проблемой, решаемой предложенным изобретением, является создание усовершенствованной конструкции ячейки высокого давления, которая обеспечивает возможность более простого и надежного создания необходимого температурного поля и управления им как для получения сверхтвёрдых материалов, так и для их обработки. Thus, the problem solved by the proposed invention is the creation of an improved design of the high-pressure cell, which provides the possibility of a simpler and more reliable creation of the necessary temperature field and its control both for the production of superhard materials and for their processing.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ SUMMARY OF THE INVENTION
В соответствии с первым аспектом изобретения предложен электрический нагревательный элемент, выполненный с возможностью установки в ячейке высокого давления для получения и/или обработки сверхтвердого материала методом высокого давления и высокой температуры (НРНТ), отличающийся тем, что он изготовлен из по меньшей мере одного электропроводного материала и по меньшей мере одного неэлектропроводного материала, при этом массовое отношение указанного по меньшей мере одного электропроводного материала к указанному по меньшей мере одному неэлектропроводному материалу изменяется в электрическом нагревательном элементе вдоль по меньшей мере одного направления. According to a first aspect of the invention, there is provided an electrical heating element capable of being installed in a high pressure cell for producing and/or processing a superhard material using a high pressure high temperature (HPHT) process, characterized in that it is made of at least one electrically conductive material. and at least one non-conductive material, wherein the weight ratio of said at least one electrically conductive material to said at least one non-conductive material varies in the electrical heating element along at least one direction.
В одном варианте выполнения изобретения электропроводный материал электрического нагревательного элемента может быть выбран, без ограничения указанным, например, из углерода (С) в любой электропроводной аллотропной модификации, хромита лантана (ЬаСгОз), платины (Pt), тантала (Та), рения (Re) или их смесей. In one embodiment of the invention, the electrically conductive material The electric heating element may be selected, without limitation, from, for example, carbon (C) in any electrically conductive allotropic modification, lanthanum chromite (LaCrO3), platinum (Pt), tantalum (Ta), rhenium (Re), or mixtures thereof.
В одном варианте выполнения изобретения электропроводный материал может быть углеродом (С) в любой электропроводной аллотропной модификации. In one embodiment of the invention, the electrically conductive material may be carbon (C) in any electrically conductive allotropic modification.
В одном варианте выполнения изобретения неэлектропроводный материал электрического нагревательного элемента может быть выбран, без ограничения указанным, например, из углерода (С) в любой неэлектропроводной аллотропной модификации, диоксида циркония (ZrCh), хлорида цезия (CsCl), хлорида натрия (NaCl), оксида магния (MgO), оксида хрома (СггОз) и их смесей. In one embodiment of the invention, the non-conductive material of the electrical heating element may be selected, without limitation, from, for example, carbon (C) in any non-conductive allotropic modification, zirconia (ZrCh), cesium chloride (CsCl), sodium chloride (NaCl), oxide magnesium (MgO), chromium oxide (CrO3) and mixtures thereof.
В одном варианте выполнения изобретения неэлектропроводный материал может быть диоксидом циркония (ZrCh). In one embodiment of the invention, the non-conductive material may be zirconia (ZrCh).
В одном варианте выполнения изобретения неэлектропроводный материал может быть углеродом (С) в любой неэлектропроводной аллотропной модификации. In one embodiment of the invention, the non-conductive material may be carbon (C) in any non-conductive allotropic modification.
В одном варианте выполнения изобретения массовое отношение электропроводного материала к неэлектропроводному материалу может уменьшаться от торцевых частей электрического нагревательного элемента к части электрического нагревательного элемента, в которой необходимо создать максимальную температуру. В одном варианте, часть электрического нагревательного элемента, в которой необходимо создать максимальную температуру, является его центральной частью. In one embodiment of the invention, the weight ratio of electrically conductive material to non-conductive material may decrease from the end portions of the electrical heating element towards the portion of the electrical heating element where the maximum temperature is to be generated. In one embodiment, the part of the electric heating element in which it is necessary to create the maximum temperature is its central part.
В одном варианте выполнения изобретения массовое отношение электропроводного материала к неэлектропроводному материалу может меняться от 100% масс, к 0% масс, в торцевых частях электрического нагревательного элемента до 50% масс, к 50% масс, в центральной части электрического нагревательного элемента. In one embodiment of the invention, the weight ratio of electrically conductive material to non-conductive material may vary from 100 wt%, to 0 wt%, at the ends of the electric heating element to 50 wt%, to 50 wt%, in the central part of the electric heating element.
В одном варианте выполнения изобретения массовое отношение электропроводного материала к неэлектропроводному материалу может меняться от 95% масс, к 5% масс, в торцевых частях электрического нагревательного элемента до 70% масс, к 30% масс, в центральной части электрического нагревательного элемента. In one embodiment of the invention, the weight ratio of electrically conductive material to non-conductive material may vary from 95 wt%, to 5 wt%, in the end portions of the electric heating element to 70 wt%, to 30 wt%, in the central portion of the electric heating element.
В одном варианте выполнения изобретения массовое отношение электропроводного материала к неэлектропроводному материалу может меняться от 90% масс, к 10% масс, в торцевых частях электрического нагревательного элемента до 80% масс, к 20% масс, в центральной части электрического нагревательного элемента. In one embodiment of the invention, the mass ratio conductive material to non-conductive material can vary from 90 wt%, to 10 wt%, in the end parts of the electric heating element to 80 wt%, to 20 wt%, in the central part of the electric heating element.
В одном варианте выполнения изобретения массовое отношение количества электропроводного материала к количеству неэлектропроводного материала может меняться непрерывно. In one embodiment of the invention, the weight ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material may vary continuously.
В одном варианте выполнения изобретения массовое отношение количества электропроводного материала к количеству неэлектропроводного материала может меняться ступенчато. In one embodiment of the invention, the weight ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material may vary in steps.
В одном варианте выполнения изобретения массовое отношение количества электропроводного материала к количеству неэлектропроводного материала может меняться непропорционально или вообще без каких-либо закономерностей (бессистемно). In one embodiment of the invention, the mass ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material may change disproportionately or without any patterns at all (randomly).
В одном варианте выполнения изобретения электрический нагревательный элемент может быть изготовлен из легированного бором алмаза. В одном варианте выполнения изобретения в центральной части электрического нагревательного элемента содержание бора в кристаллической решётке алмаза составляет 0,5% масс., а по краям электрического нагревательного элемента содержание бора в кристаллической решетке алмаза увеличивается до 3% масс. В одном варианте выполнения изобретения изменение состава осуществляется пропорционально расстоянию от центра электрического нагревательного элемента. In one embodiment of the invention, the electrical heating element may be made of boron-doped diamond. In one embodiment of the invention, in the central part of the electric heating element, the boron content in the diamond crystal lattice is 0.5 wt. %, and at the edges of the electric heating element, the boron content in the diamond crystal lattice increases to 3 wt. In one embodiment of the invention, the change in composition is proportional to the distance from the center of the electric heating element.
В одном варианте выполнения изобретения электрический нагревательный элемент может иметь цилиндрическую, трубчатую, пластинчатую или иную форму. In one embodiment of the invention, the electrical heating element may be cylindrical, tubular, lamellar or otherwise.
В соответствии со вторым аспектом изобретения предложена ячейка высокого давления для получения и/или обработки сверхтвердого материала методом высокого давления и высокой температуры (НРНТ), отличающаяся тем, что она содержит указанный выше электрический нагревательный элемент. According to a second aspect of the invention, there is provided a high pressure cell for producing and/or processing a superhard material using a high pressure high temperature (HPHT) process, characterized in that it contains the above electrical heating element.
В соответствии с третьим аспектом изобретения предложен способ получения и/или обработки сверхтвердого материала методом высокого давления и высокой температуры (НРНТ). В соответствии с предложенным способом сначала обеспечивают наличие ячейки высокого давления, содержащей электрический нагревательный элемент. Затем помещают ячейку высокого давления в аппарат высокого давления, создают в ячейке высокого давления необходимое давление, осуществляют нагрев ячейки высокого давления путем подачи мощности на электрический нагревательный элемент с обеспечением формирования градиента температур в указанной ячейке, останавливают подачу мощности на электрический нагревательный элемент, сбрасывают давление и извлекают ячейку высокого давления из аппарата высокого давления. При этом, указанный градиент температур формируют с помощью раскрытого выше электрического нагревательного элемента. According to a third aspect of the invention, there is provided a process for producing and/or processing a superhard material using a high pressure high temperature (HPHT) process. In accordance with the proposed method, first, a high pressure cell containing an electrical a heating element. Then the high-pressure cell is placed in the high-pressure apparatus, the necessary pressure is created in the high-pressure cell, the high-pressure cell is heated by supplying power to the electric heating element to ensure the formation of a temperature gradient in the said cell, the power supply to the electric heating element is stopped, the pressure is released, and removing the high pressure cell from the high pressure apparatus. At the same time, the specified temperature gradient is formed using the electric heating element disclosed above.
В одном варианте выполнения изобретения сверхтвердый материал, который получают и/или обрабатывают в предложенном способе, является монокристаллом алмаза, поликристаллом алмаза, алмазным порошком или кубическим нитридом бора. In one embodiment of the invention, the superhard material that is obtained and/or processed in the proposed method is a diamond single crystal, a diamond polycrystal, diamond powder, or cubic boron nitride.
Технический результат, обеспечиваемый предложенным изобретением, заключается в обеспечении возможности создания необходимого температурного градиента в ЯВД и управления конфигурацией теплового поля внутри реакционной зоны без изменения состава и геометрии элементов ячейки с помощью лишь одного электрического нагревательного элемента. Указанный технический результат достигается тем, что электрический нагревательный элемент изготовлен из электропроводного и неэлектропроводного материалов не с однородным составом по всему нагревателю, а из такого состава, в котором массовое отношение одного материала к другому меняется по нагревателю. В результате изменения соотношения электропроводного материала к неэлектропроводному материалу в разных частях нагревателя обеспечивается возможность создания необходимого температурного поля для получения и/или обработки материалов в ЯВД методом НРНТ. The technical result provided by the proposed invention is to provide the possibility of creating the necessary temperature gradient in the HP and controlling the configuration of the thermal field inside the reaction zone without changing the composition and geometry of the cell elements using only one electric heating element. The specified technical result is achieved by the fact that the electric heating element is made of electrically conductive and non-conductive materials not with a uniform composition throughout the heater, but from such a composition in which the mass ratio of one material to another changes over the heater. As a result of changing the ratio of the electrically conductive material to the non-conductive material in different parts of the heater, it is possible to create the necessary temperature field for the production and/or processing of materials in the JVD by the HPNT method.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Далее описаны неограничивающие примеры предпочтительных вариантов выполнения предложенного изобретения со ссылкой на чертежи, которые иллюстрируют предпочтительные варианты выполнения и не ограничивают объем изобретения. На чертежах: на фиг.1 приведено схематическое изображение ячейки высокого давления; на фиг.2 приведено схематическое изображение электрического нагревательного элемента в соответствии с предложенным изобретением и создаваемой им конфигурации теплового поля. The following describes non-limiting examples of preferred embodiments of the proposed invention with reference to the drawings, which illustrate the preferred embodiments and do not limit the scope of the invention. In the drawings: figure 1 shows a schematic representation of the high pressure cell; figure 2 shows a schematic representation of an electric heating element in accordance with the proposed invention and the configuration of the thermal field created by it.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Далее предпочтительные варианты осуществления предложенного изобретения будут описаны в отношении получения алмазов, однако специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение также применимо для получения и/или обработки других сверхтвердых материалов. Further preferred embodiments of the proposed invention will be described in relation to the production of diamonds, however, a person skilled in the art will understand that the present invention is also applicable to the production and/or processing of other superhard materials.
Со ссылкой на фиг.1, для получения и/или обработки сверхтвердых материалов методом НРНТ обеспечивают наличие ячейки высокого давления. В корпусе ячейки высокого давления, выполненном из керамического или иного подходящего материала, размещают электрический нагревательный элемент 1. Внутри нагревательного элемента располагают изолирующую втулку (не показано) с верхней изолирующей шайбой 2 и нижней изолирующей шайбой 3, образующими реакционную зону, внутри которой располагают источник 4 углерода, обычно в виде графита или в иной алмазной или неалмазной форме углерода, и металл-катализатор 5. Металл-катализатор 5 может представлять собой железо, кобальт, никель или марганец или смеси указанных металлов, в том числе с добавлением любых других подходящих элементов. Кроме того, в ЯВД помещают подложку 6 с расположенной на ней алмазной затравкой 7. Сверху и снизу ЯВД предусмотрены верхний токовод 8 и нижний токовод 9 для подведения электрической мощности к электрическому нагревательному элементу 1. With reference to figure 1, for the production and/or processing of superhard materials by the HPHT method, a high pressure cell is provided. An electric heating element 1 is placed in the high-pressure cell housing, made of ceramic or other suitable material. An insulating sleeve (not shown) with an upper insulating washer 2 and a lower insulating washer 3 is placed inside the heating element, forming a reaction zone, inside which a source 4 is located. carbon, usually in the form of graphite or other diamond or non-diamond form of carbon, and a catalyst metal 5. The catalyst metal 5 may be iron, cobalt, nickel or manganese, or mixtures of these metals, including with the addition of any other suitable elements. In addition, a substrate 6 with a diamond seed 7 located on it is placed in the HPC. Above and below the HPC, an upper current lead 8 and a lower current lead 9 are provided for supplying electric power to the electric heating element 1.
Далее ЯВД помещают в аппарат высокого давления, который может представлять собой любой подходящий аппарат, пригодный для получения сверхтвердых материалов, например кубический пресс, ленточный пресс, тороидальный пресс, безпрессовый аппарат типа «разрезная сфера» или иное устройство, обеспечивающие возможность создания высокого давления. Next, the JVD is placed in a high pressure apparatus, which may be any suitable apparatus suitable for the production of superhard materials, such as a cube press, a belt press, a toroidal press, a split sphere pressless apparatus, or other device that provides the ability to create high pressure.
С помощью аппарата высокого давления в ЯВД создают высокое давление, обычно превышающее 4,5 ГПа. В предпочтительном варианте выполнения изобретения давление может составлять от 4,5 до 10 ГПа. With the help of a high-pressure apparatus, a high pressure is created in the JVD, usually in excess of 4.5 GPa. In a preferred embodiment of the invention, the pressure may be between 4.5 and 10 GPa.
Затем осуществляют нагрев ячейки высокого давления и, как следствие, нагрев реакционной зоны путем подачи на нагревательный элемент электрического тока с обеспечением формирования градиента температур в ЯВД. В предпочтительном варианте выполнения изобретения мощность нагрева увеличивается со скоростью 30 Вт в минуту. При достижении мощности нагрева, например, в 6,5 КВт, оператор останавливает процесс увеличения мощности. После выдержки, в одном варианте выполнения, например, около 300 часов, оператор останавливает нагрев. После сброса давления ЯВД извлекают из аппарата высокого давления. Внутри ячейки находится монокристалл алмаза. Then, the high-pressure cell is heated and, as a result, the reaction zone is heated by supplying electric current to the heating element to ensure the formation of a temperature gradient in the JVD. In preferred embodiment of the invention, the heating power is increased at a rate of 30 watts per minute. When the heating power is reached, for example, 6.5 kW, the operator stops the process of increasing the power. After a soak, in one embodiment, for example about 300 hours, the operator stops the heating. After the pressure is released, the JVD is removed from the high-pressure apparatus. Inside the cell is a diamond single crystal.
Создание и поддержание заданных параметров температурного поля с необходимыми температурными градиентами в ЯВД является сложной и очень важной задачей, особенно в случае выращивания монокристаллов алмаза методом температурного градиента. При этом методе условия роста кристаллов определяются величиной температурного градиента между источником углерода и растущими кристаллами. Углерод источника, находящийся при температуре Т1 растворяется в металле-катализаторе, затем конвективными потоками углерод переносится (диффундирует) в зону, где расположена затравка алмаза. Затравка находится при температуре Т2<Т1. Углерод осаждается на затравку, происходит рост кристалла. Если разница температур Т 1 и Т2 небольшая, скорость роста будет недостаточна для выращивания. И наоборот, при большой разнице между Т 1 и Т2 скорость роста будет слишком большой и кристалл растёт с многочисленными дефектами. The creation and maintenance of the given parameters of the temperature field with the necessary temperature gradients in the HPT is a complex and very important task, especially in the case of growing diamond single crystals by the temperature gradient method. With this method, the conditions for crystal growth are determined by the magnitude of the temperature gradient between the carbon source and the growing crystals. The carbon of the source, which is at a temperature of T1, dissolves in the catalyst metal, then the carbon is transferred (diffuses) by convective flows to the zone where the diamond seed is located. The seed is at a temperature T2<T1. Carbon is deposited on the seed, crystal growth occurs. If the temperature difference between T1 and T2 is small, the growth rate will not be sufficient for cultivation. Conversely, if there is a large difference between T1 and T2, the growth rate will be too high and the crystal will grow with numerous defects.
В соответствии с предложенным изобретением требуемый температурный градиент между источником углерода и растущим кристаллом обеспечивают с помощью электрического нагревательного элемента, изготовленного из по меньшей мере одного электропроводного материала и по меньшей мере одного неэлектропроводного материала, при этом массовое отношение указанного по меньшей мере одного электропроводного материала к указанному по меньшей мере одному неэлектропроводному материалу изменяется в электрическом нагревательном элементе вдоль по меньшей мере одного направления, как показано на фиг.2. Меняя отношение электропроводного материала к неэлектропроводному материалу в нагревателе может быть обеспечен необходимый градиент температур для роста качественного кристалла. In accordance with the proposed invention, the required temperature gradient between the carbon source and the growing crystal is provided using an electrical heating element made of at least one electrically conductive material and at least one non- electrically conductive material, while the mass ratio of the specified at least one electrically conductive material to the specified at least one non-conductive material is changed in the electrical heating element along at least one direction, as shown in FIG. By changing the ratio of the electrically conductive material to the non-conductive material in the heater, the necessary temperature gradient for the growth of a high-quality crystal can be provided.
В соответствии с фиг.2, в одном варианте выполнения предложенного изобретения электрический нагревательный элемент имеет форму полого цилиндра (трубчатую форму). При этом, специалисту понятно, что нагревательный элемент может иметь, например, пластинчатую или иную подходящую форму. Нагревательный элемент изготовлен из смеси графита и неуглеродного материала, например кубического диоксида циркония, причём массовое отношение графита и неуглеродного материала меняется от отношения 95% масс, графита и 5% ZrCh в холодных торцевых частях ЯВД до 70% графита и 30% ZrCh в части ЯВД, в которой необходимо создать максимальную температуру. В одном варианте выполнения предложенного изобретения массовое отношение количества графита и неуглеродного материала изменяться непрерывно, например, линейно, в соответствии с какой-либо зависимостью или без таковой. При этом, специалисту должно быть понятно, что массовое отношение количества электропроводного материала к количеству неэлектропроводного материала также может изменяться ступенчато, или в некоторых частях нагревательного элемента меняться непрерывно, а в других - ступенчато. Как проиллюстрировано на фиг.2 изменение состава смеси из которой выполнен нагревательный элемент обеспечивает создание градиента температурного поля. Фактически, предложенный нагревательный элемент представляет собой цепь последовательно соединенных сопротивлений, имеющих разную электрическую проводимость, что и обеспечивает создание температурного градиента. In accordance with figure 2, in one embodiment of the proposed invention, the electric heating element is in the form of a hollow cylinder (tubular shape). At the same time, the specialist understands that the heating element may have, for example, lamellar or other suitable shape. The heating element is made of a mixture of graphite and non-carbon material, such as cubic zirconia, and the mass ratio of graphite and non-carbon material varies from the ratio of 95% of the mass, graphite and 5% ZrCh in the cold end parts of the HP to 70% graphite and 30% ZrCh in the HP part , in which it is necessary to create the maximum temperature. In one embodiment of the proposed invention, the mass ratio of the amount of graphite and non-carbon material change continuously, for example, linearly, in accordance with any dependence or without it. At the same time, it should be clear to the specialist that the mass ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material can also change in steps, or change continuously in some parts of the heating element, and in steps in others. As illustrated in figure 2, changing the composition of the mixture from which the heating element is made ensures the creation of a temperature field gradient. In fact, the proposed heating element is a chain of resistors connected in series with different electrical conductivity, which ensures the creation of a temperature gradient.
Вместо графита в качестве электропроводного материала может быть использован другой материал, например хромит лантана ЬаСгОз или металлы с высокой температурой плавления, такие как платина Pt, тантал Та или рений Re или их сплавы, или легированный бором алмаз, или алмаз, легированный любым другим элементом, повышающим его электропроводность. Instead of graphite, another material may be used as the electrically conductive material, such as lanthanum chromite LaCrO3 or high melting point metals such as platinum Pt, tantalum Ta or rhenium Re or their alloys, or diamond doped with boron, or diamond doped with any other element, increasing its electrical conductivity.
Вместо (и вместе с) ZrCh в качестве неэлектропроводного могут быть использованы CsCl, NaCl, (прочие соли металлов), MgO, СггОз и прочие оксиды металлов, или углерод в любой неэлектропроводной аллотропной модификации, например, в виде алмаза, не содержащего легирующих элементов, повышающих его электропроводность. Instead of (and together with) ZrCh, CsCl, NaCl, (other metal salts), MgO, CrO3 and other metal oxides, or carbon in any non-conductive allotropic modification, for example, in the form of diamond, which does not contain alloying elements, can be used as non-conductive, increasing its electrical conductivity.
Предложенное изобретение дополнительно проиллюстрировано приведенными ниже неограничивающими примерами. The proposed invention is further illustrated by the following non-limiting examples.
Пример 1 Ячейка высокого давления (ЯВД) состоит из керамической оболочки, графитового нагревателя, выполненного в виде цилиндра, сверху и снизу нагреватель запирается токоведущими шайбами, соединенным с тоководами. Нагреватель изготовлен методом прессования из смеси графита и стабилизированного кубического диоксида циркония. Причём в центральной части нагреватель состоит из 80% масс, графита и 20% масс. ZrO2. По краям нагревателя его состав представляет собой смесь 90% масс, графита и 10% масс. ZrO2. Example 1 The high-pressure cell (HPV) consists of a ceramic shell, a graphite heater made in the form of a cylinder, the heater is locked from above and below by current-carrying washers connected to the current leads. The heater is made by pressing from a mixture of graphite and stabilized cubic zirconia. Moreover, in the central part, the heater consists of 80% of the mass, graphite and 20% of the mass. ZrO 2 . At the edges of the heater, its composition is a mixture of 90 wt% graphite and 10 wt%. ZrO 2 .
Внутри нагревателя расположена изолирующая втулка с изолирующими шайбами на её торцах. В центральной части втулки находится цилиндрический источник углерода в виде графита. Ниже источника расположена металлическая шайба, изготовленная из смеси Fe и Со. В холодной части реакционной зоны расположена подложка из керамического материала, с впрессованной в неё затравкой - кристаллом алмаза. Inside the heater there is an insulating sleeve with insulating washers at its ends. In the central part of the sleeve there is a cylindrical source of carbon in the form of graphite. Below the source is a metal washer made of a mixture of Fe and Co. In the cold part of the reaction zone there is a substrate made of ceramic material, with a seed pressed into it - a diamond crystal.
ЯВД помещают в кубический пресс, и при помощи пресса в ячейке создают давление более 4,5 ГПа. The JVD is placed in a cubic press, and with the help of a press, a pressure of more than 4.5 GPa is created in the cell.
На токоведущие части ячейки подаётся электрический ток. Мощность нагрева увеличивают со скоростью 30 Вт в минуту. При достижении мощности нагрева в 6,5 КВт, оператор останавливает процесс увеличения мощности. После 300-часовой выдержки оператор выключает нагрев. После сброса давления ЯВД достают из кубического пресса. Внутри ячейки находится монокристалл алмаза весом 25 карат. An electric current is applied to the current-carrying parts of the cell. The heating power is increased at a rate of 30 W per minute. When the heating power reaches 6.5 kW, the operator stops the process of increasing the power. After a 300-hour exposure, the operator turns off the heating. After the pressure is released, the JVD is taken out of the cubic press. Inside the cell is a single crystal of diamond weighing 25 carats.
Пример 2 Example 2
Отличается тем, что состав нагревателя плавно меняется от 70% масс, графита и 30% масс. ZrO2 в центральной части ЯВД, до 90% масс, графита и 10% масс. ZrO2 по краям, причём изменение состава осуществляется пропорционально расстоянию от центра ЯВД. В результате технологического процесса внутри ячейки находится монокристалл алмаза весом 55 карат. It differs in that the composition of the heater smoothly changes from 70 wt%, graphite and 30 wt%. ZrO 2 in the central part of the JVD, up to 90% of the mass, graphite and 10% of the mass. ZrO 2 along the edges, and the change in composition is carried out in proportion to the distance from the center of the JVD. As a result of the technological process, a single crystal of diamond weighing 55 carats is located inside the cell.
Пример 3 Example 3
Отличается тем, что нагреватель изготовлен из легированного бором алмаза, при этом в центральной части нагревателя содержание бора в решётке алмаза составляет 0,5% масс., а по краям нагревателя содержание бора увеличивается до 3% И масс., причём изменение состава осуществляется пропорционально расстоянию от центра ячейки. ЯВД помещают в кубический пресс, и при помощи пресса в ячейке создают давление более 15 ГПа. It differs in that the heater is made of diamond doped with boron, while in the central part of the heater the boron content in the diamond lattice is 0.5 wt%, and at the edges of the heater the boron content increases to 3%. And mass., and the change in composition is carried out in proportion to the distance from the center of the cell. The JVD is placed in a cubic press, and with the help of a press, a pressure of more than 15 GPa is created in the cell.
На токоведущие части ячейки подаётся электрический ток, при этом в центральной части ЯВД создается температура свыше 2200 градусов Цельсия. После 10-минутной выдержки оператор выключает нагрев. После сброса давления ЯВД достают из кубического пресса. Внутри ячейки находится нано-поликристалл алмаза (NPD). An electric current is supplied to the current-carrying parts of the cell, while in the central part of the JVD a temperature of over 2200 degrees Celsius is created. After a 10-minute exposure, the operator turns off the heating. After the pressure is released, the JVD is taken out of the cubic press. Inside the cell is a nano-polycrystal diamond (NPD).
Используемый в настоящем описании компонент, изложенный в единственном числе, не должен пониматься как исключающий множественное число упомянутых компонентов, если только такое исключение не указано явно. Кроме того, ссылки на «один вариант выполнения» предложенного изобретения не должны быть интерпретированы как исключающие существование дополнительных вариантов выполнения, которые также включают указанные отличительные признаки. Более того, если явно не указано иное, варианты выполнения изобретения «включающие» или «содержащие» компонент или множество компонентов, имеющих конкретное свойство, могут дополнительно включать такие компоненты, которые не имеют этого свойства. Used in the present description of the component set forth in the singular, should not be understood as excluding the plural of the mentioned components, unless such an exception is not explicitly stated. In addition, references to "one embodiment" of the proposed invention should not be interpreted as excluding the existence of additional embodiments that also include these distinctive features. Moreover, unless explicitly stated otherwise, embodiments of the invention "comprising" or "comprising" a component or a plurality of components having a particular property may further include those components that do not have that property.
В настоящем описании для раскрытия изобретения использованы примеры, включающие предпочтительные варианты выполнения изобретения, которые позволяют любому специалисту реализовать изобретение на практике, включая создание и использование нагревательных элементов и ячеек высокого давления и реализацию любых относящихся к изобретению способов. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения, и может включать другие примеры, которые понятны специалисту. Предполагается, что такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, описанных в формуле изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы, имеющие отличия от элементов, описанных в формуле изобретения. In the present description, examples are used to disclose the invention, including preferred embodiments of the invention, which allow any person skilled in the art to practice the invention, including the creation and use of heating elements and high pressure cells and the implementation of any methods related to the invention. The scope of legal protection of the invention is defined by the claims, and may include other examples that are clear to a person skilled in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the claims if they contain features that do not differ from those described in the claims, or if they contain equivalent features that differ from those described in the claims.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Электрический нагревательный элемент, выполненный с возможностью установки в ячейке высокого давления для получения и/или обработки сверхтвердого материала методом высокого давления и высокой температуры (НРНТ), отличающийся тем, что он изготовлен из по меньшей мере одного электропроводного материала и по меньшей мере одного неэлектропроводного материала, при этом массовое отношение указанного по меньшей мере одного электропроводного материала к указанному по меньшей мере одному неэлектропроводному материалу изменяется в электрическом нагревательном элементе вдоль по меньшей мере одного направления, при этом неэлектропроводный материал содержит оксид металла. 1. An electric heating element configured to be installed in a high pressure cell for producing and/or processing a superhard material by the high pressure and high temperature (HPHT) method, characterized in that it is made of at least one electrically conductive material and at least one a non-conductive material, wherein the mass ratio of said at least one electrically conductive material to said at least one non-conductive material varies in the electric heating element along at least one direction, wherein the non-conductive material contains a metal oxide.
2. Электрический нагревательный элемент по п. 1, в котором электропроводный материал выбран из группы, состоящей из углерода (С) в любой электропроводной аллотропной модификации, хромита лантана (ЬаСгОз), платины (Pt), тантала (Та), рения (Re) или их смесей. 2. Electric heating element according to claim 1, wherein the electrically conductive material is selected from the group consisting of carbon (C) in any electrically conductive allotropic modification, lanthanum chromite (LaCrO3), platinum (Pt), tantalum (Ta), rhenium (Re) or their mixtures.
3. Электрический нагревательный элемент по п. 2, в котором электропроводный материал является углеродом (С) в любой электропроводной аллотропной модификации. 3. The electrical heating element of claim 2, wherein the electrically conductive material is carbon (C) in any electrically conductive allotropic modification.
4. Электрический нагревательный элемент по любому из предшествующих пунктов, в котором неэлектропроводный материал выбран из диоксида циркония (ZrCh), оксида магния (MgO), оксида хрома (СггОз) и их смесей. 4. An electrical heating element according to any one of the preceding claims, wherein the non-conductive material is selected from zirconia (ZrCh), magnesium oxide (MgO), chromium oxide (CrO3) and mixtures thereof.
5. Электрический нагревательный элемент по п. 4, в котором неэлектропроводный материал является диоксидом циркония (ZrCh). 5. The electrical heating element of claim 4, wherein the non-conductive material is zirconia (ZrCh).
6. Электрический нагревательный элемент по любому из предшествующих пунктов, в котором массовое отношение электропроводного материала к неэлектропроводному материалу уменьшается от торцевых частей электрического нагревательного элемента к части электрического нагревательного элемента, в которой необходимо создать максимальную температуру. 6. An electrical heating element according to any one of the preceding claims, wherein the weight ratio of the electrically conductive material to the non- electrically conductive material decreases from the end portions of the electrical heating element to the portion of the electrical heating element, in which you want to create the maximum temperature.
7. Электрический нагревательный элемент по и. 6, в котором массовое отношение электропроводного материала к неэлектропроводному материалу меняется от 100% масс, к 0% масс, в торцевых частях электрического нагревательного элемента до 50% масс, к 50% масс, в центральной части электрического нагревательного элемента. 7. Electric heating element according to and. 6, wherein the weight ratio of the electrically conductive material to the non-conductive material varies from 100 wt % to 0 wt % at the end portions of the electric heating element to 50 wt % to 50 wt % at the central portion of the electric heating element.
8. Электрический нагревательный элемент по п. 7, в котором массовое отношение электропроводного материала к неэлектропроводному материалу меняется от 95% масс, к 5% масс, в торцевых частях электрического нагревательного элемента до 70% масс, к 30% масс, в центральной части электрического нагревательного элемента. 8. Electric heating element according to claim 7, in which the mass ratio of the electrically conductive material to the non-conductive material varies from 95 wt%, to 5 wt%, in the end parts of the electric heating element to 70 wt%, to 30 wt%, in the central part of the electric heating element.
9. Электрический нагревательный элемент по п. 8, в котором массовое отношение электропроводного материала к неэлектропроводному материалу меняется от 90% масс, к 10% масс, в торцевых частях электрического нагревательного элемента до 80% масс, к 20% масс, в центральной части электрического нагревательного элемента. 9. The electric heating element according to claim 8, wherein the mass ratio of the electrically conductive material to the non-conductive material varies from 90 wt.% to 10 wt. heating element.
10. Электрический нагревательный элемент по любому из предшествующих пунктов, в котором массовое отношение количества электропроводного материала к количеству неэлектропроводного материала изменяется непрерывно. 10. An electric heating element according to any one of the preceding claims, wherein the weight ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material changes continuously.
11. Электрический нагревательный элемент по любому из пп. 1-9, в котором массовое отношение количества электропроводного материала к количеству неэлектропроводного материала изменяется ступенчато. 11. Electric heating element according to any one of paragraphs. 1-9, in which the mass ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material is stepped.
12. Электрический нагревательный элемент по любому из пп. 1-9, в котором массовое отношение количества электропроводного материала к количеству неэлектропроводного материала изменяется бессистемно. 14 12. Electric heating element according to any one of paragraphs. 1-9, in which the mass ratio of the amount of electrically conductive material to the amount of non-conductive material changes randomly. 14
13. Электрический нагревательный элемент по любому из предшествующих пунктов, имеющий трубчатую или пластинчатую форму. 13. An electric heating element according to any one of the preceding claims, having a tubular or plate shape.
14. Электрический нагревательный элемент, выполненный с возможностью установки в ячейке высокого давления для получения и/или обработки сверхтвердого материала методом высокого давления и высокой температуры (НРНТ), отличающийся тем, что он изготовлен из по меньшей мере одного электропроводного материала и по меньшей мере одного неэлектропроводного материала, при этом массовое отношение указанного по меньшей мере одного электропроводного материала к указанному по меньшей мере одному неэлектропроводному материалу изменяется в электрическом нагревательном элементе вдоль по меньшей мере одного направления, при этом электрический нагревательный элемент изготовлен из легированного бором алмаза. 14. An electric heating element configured to be installed in a high pressure cell for producing and/or processing a superhard material by the high pressure and high temperature (HPHT) method, characterized in that it is made of at least one electrically conductive material and at least one a non-conductive material, wherein the weight ratio of said at least one electrically conductive material to said at least one non- electrically conductive material varies in the electrical heating element along at least one direction, wherein the electrical heating element is made of boron-doped diamond.
15. Электрический нагревательный элемент по п. 14, в котором в центральной части электрического нагревательного элемента содержание бора в кристаллической решётке алмаза составляет 0,5% масс., а по краям электрического нагревательного элемента содержание бора в кристаллической решетке алмаза увеличивается до 3% масс. 15. Electric heating element according to claim 14, in which in the central part of the electric heating element the boron content in the diamond crystal lattice is 0.5 wt%, and at the edges of the electric heating element the boron content in the diamond crystal lattice increases to 3 wt%.
16. Электрический нагревательный элемент по п. 15, в котором изменение содержание бора в кристаллической решётке алмаза осуществляется пропорционально расстоянию от центра электрического нагревательного элемента. 16. Electric heating element according to claim 15, in which the change in the boron content in the diamond crystal lattice is proportional to the distance from the center of the electric heating element.
17. Электрический нагревательный элемент по любому из пп. 14-16, имеющий трубчатую или пластинчатую форму. 17. Electric heating element according to any one of paragraphs. 14-16 having a tubular or lamellar shape.
18. Ячейка высокого давления для получения и/или обработки сверхтвердого материала методом высокого давления и высокой температуры (НРНТ), отличающаяся тем, что она содержит электрический нагревательный элемент по любому из предшествующих пунктов. 15 18. High pressure cell for producing and/or processing superhard material by high pressure and high temperature (HPHT), characterized in that it contains an electrical heating element according to any one of the preceding claims. 15
19. Способ получения и/или обработки сверхтвердого материала методом высокого давления и высокой температуры (НРНТ), в котором обеспечивают наличие ячейки высокого давления, содержащей электрический нагревательный элемент, 19. A method for producing and/or processing a superhard material by the high pressure and high temperature (HPHT) method, in which a high pressure cell containing an electric heating element is provided,
- помещают ячейку высокого давления в аппарат высокого давления, - place the high-pressure cell in the high-pressure apparatus,
- создают в ячейке высокого давления необходимое давление, - create the necessary pressure in the high pressure cell,
- осуществляют нагрев ячейки высокого давления путем подачи мощности на электрический нагревательный элемент с обеспечением формирования заданного градиента температур в ячейке, - heating the high-pressure cell by supplying power to the electric heating element to ensure the formation of a given temperature gradient in the cell,
- останавливают подачу мощности на электрический нагревательный элемент,- stop the power supply to the electric heating element,
- сбрасывают давление, и извлекают ячейку высокого давления из аппарата высокого давления, отличающийся тем, что указанный градиент температур формируют с помощью электрического нагревательного элемента по любому из пи. 1-17. - pressure is released and the high-pressure cell is removed from the high-pressure apparatus, characterized in that the specified temperature gradient is formed using an electric heating element according to any of pi. 1-17.
20. Способ по и. 19, в котором указанный сверхтвердый материал является монокристаллом алмаза, поликристаллом алмаза, алмазным порошком или кубическим нитридом бора. 20. Method according to and. 19, wherein said superhard material is diamond single crystal, diamond polycrystal, diamond powder, or cubic boron nitride.
PCT/RU2022/050326 2021-10-19 2022-10-12 Electric heating element and high-pressure cell WO2023068969A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021130416A RU2771977C1 (en) 2021-10-19 Electric heating element, high pressure cell and method for producing and/or processing superhard material by high pressure and high temperature method
RU2021130416 2021-10-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023068969A1 true WO2023068969A1 (en) 2023-04-27

Family

ID=86058490

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/050326 WO2023068969A1 (en) 2021-10-19 2022-10-12 Electric heating element and high-pressure cell

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023068969A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU647894A1 (en) * 1976-02-13 1979-02-15 Институт геологии и геофизики СО АН СССР Resistive heater
JPH0780275A (en) * 1993-09-13 1995-03-28 Matsumoto Yushi Seiyaku Co Ltd Hydrostatic heater for high temperature and high pressure
US6124573A (en) * 1999-12-28 2000-09-26 Hall; David R. Metallized graphite heater for a high-pressure high-temperature reaction vessel

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU647894A1 (en) * 1976-02-13 1979-02-15 Институт геологии и геофизики СО АН СССР Resistive heater
JPH0780275A (en) * 1993-09-13 1995-03-28 Matsumoto Yushi Seiyaku Co Ltd Hydrostatic heater for high temperature and high pressure
US6124573A (en) * 1999-12-28 2000-09-26 Hall; David R. Metallized graphite heater for a high-pressure high-temperature reaction vessel

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bundy et al. Diamond‐graphite equilibrium line from growth and graphitization of diamond
US3297407A (en) Method of growing diamond on a diamond seed crystal
Gendre et al. A study of the densification mechanisms during spark plasma sintering of zirconium (oxy-) carbide powders
JP4275896B2 (en) Polycrystalline diamond and method for producing the same
US4104441A (en) Polycrystalline diamond member and method of preparing same
US4643741A (en) Thermostable polycrystalline diamond body, method and mold for producing same
US7126090B2 (en) Ceramic heaters, a method for producing the same and articles having metal members
US4220677A (en) Polycrystalline superhard material and method of producing thereof
RU2771977C1 (en) Electric heating element, high pressure cell and method for producing and/or processing superhard material by high pressure and high temperature method
WO2023068969A1 (en) Electric heating element and high-pressure cell
JPS61186404A (en) Sintering method
Kong et al. Synthesis of β-WC 1− x in an atmospheric-pressure, thermal plasma jet reactor
JPH03199379A (en) Method of evaporating crystallite solid particle by using chemical deposition method
DE69826193T2 (en) Boron-doped isotopic diamond and process for its preparation
US3310501A (en) Preparation of elongated needle-like diamond having electrically conductive properties
US4231796A (en) Internal zone growth method for producing metal oxide metal eutectic composites
Wang et al. Graphite/diamond transformation mechanism under the action of an iron-based catalyst
Bundy The pressure-temperature phase and reaction diagram for carbon
De la Fuente et al. Crystal fibers of Bi Sr Ca Cu O materials grown by the laser floating zone method
DE102011014204B4 (en) Process for synthesizing diamonds
JPS5825044B2 (en) Method and device for producing ultrafine carbide powder
Sorb et al. Diamond: high-pressure synthesis
RU2752346C1 (en) Method for obtaining superhard materials
Li et al. Grain-size gradient structure by abnormal grain growth
SU329760A1 (en) Method of manufacturing polycrystalline diamonds

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22884152

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1