[发明专利]一种利用金属电爆炸效应合成金刚石晶体的装置

说明书

技术领域

本发明涉及人工合成金刚石晶体技术领域，具体涉及一种利用金属电爆炸效应合成金刚石的装置。

背景技术

目前在工业应用领域，人工合成金刚石的方法主要有高温静压法和炸药爆轰法。其中炸药爆轰法在炸药爆炸过程中产生高温和强冲击波，石墨在快速变化的高温高压物理条件下相变成金刚石微粒。但是，目前炸药爆轰法存在炸药存储，炸药施工过程中带来的安全问题，使用上受到各种限制。同时炸药爆炸属于化学能转化，炸药能量的释放过程无法得到人为的控制，无法在爆炸过程中对石墨合成金刚石过程进行人工干预。

中国专利CN87206258公开了一种爆炸合成金刚石的球形装置，包括雷管、钢球壳、球形炸药包、反应材料等。中国专利CN2331413公开了一种爆炸合成金刚石微粉的装置，由雷管、平面波发生器、主炸药柱、飞片、石墨片、托板、水池构成。它们都是利用炸药爆炸产生高压气体和爆震冲击波形成高温高压使反应材料烧结成金刚石。它们除了有如前所述的缺点外，还有由于炸药爆炸是一次性的、不可重复，当高压持续时间不足以使碳原子产生强烈的扩散时，会造成转化率严重降低或转化失败。

当筒状金属体流经大电流时，金属体会产生的大量的焦耳热使金属融化汽化迅速变成高温金属蒸汽。筒状金属蒸汽快速膨胀，会在筒状金属体内侧和外侧辐射强大的冲击波。金属在大电流作用下发生类似炸药爆炸的物理过程，利用这种金属电爆炸效应产生的高温高压现象，可以进行人工合成金刚石微粒的过程。

发明内容

本发明的目的是克服现有炸药爆炸技术无法精细控制爆炸能量，合成金刚石晶体颗粒太小的缺点，提出一种利用金属电爆炸效应人工合成金刚石晶体的装置。

本发明包括N路放电单元、用于控制放电单元放电时序的时序控制器、电爆炸室和包含有金属层的石墨组件，N为大于1小于16的正整数。各路放电单元相互并联；放电单元的正极与电爆炸室的上放电电极相连，负极与电爆炸室的下放电电极相连；石墨组件放置在上放电电极和下放电电极之间；时序控制器分别与每路放电单元中放电开关的控制端连接。每一路放电单元包括储能电容、放电开关、限流电感和续流二极管；所述储能电容的正端连接所述放电开关的正极，所述放电开关的负极和续流二极管的负极相连，续流二极管的正极连接到储能电容的负端；所述限流电感的一端与放电开关的负极相连，另一端作为放电单元的正极；储能电容的负端作为放电单元的负极。N路放电单元的结构相同。

所述放电单元储能电容的正端经过放电开关、限流电感连接到电爆炸室的上放电电极，所述储能电容的负端连接到电爆炸室的下放电电极；续流二极管的阴极连接在放电开关和限流电感之间，续流二极管的阳极连接到储能电容的负端。

电爆炸室包括上锁紧螺母、上绝缘盖板、上放电电极绝缘支撑板、上锁紧螺栓、绝缘支撑筒、下放电电极绝缘支撑板、下绝缘盖板、下锁紧螺母、上放电电极锁紧螺母、上放电电极、上圆形绝缘垫片、上环形绝缘垫片、下环形绝缘垫片、下圆形绝缘垫片、下放电电极，以及下锁紧螺母。绝缘支撑筒位于电爆炸室的中央，绝缘支撑筒的上端覆盖有上放电电极绝缘支撑板，上放电电极绝缘支撑板的上表面覆盖有上绝缘盖板，上放电电极绝缘支撑板的中央插入上放电电极。绝缘支撑筒的下端是下放电电极绝缘支撑板，下放电电极绝缘支撑板的底面覆盖有下绝缘盖板，下放电电极绝缘支撑板中间插入下放电电极。位于绝缘支撑筒的上放电电极绝缘支撑板、上绝缘盖板、下放电电极绝缘支撑板和下绝缘盖板的4个通孔中插入4根锁紧螺栓，通过上锁紧螺母和下锁紧螺母、上放电电极锁紧螺母和下放电电极锁紧螺母紧固。电爆炸室的上放电电极和下放电电极分别与放电单元的正输出端和负输出端连接。

上放电电极和下放电电极之间放置有石墨组件。石墨组件包括石墨筒、圆筒形金属导体层和石墨棒。电爆炸室的上放电电极和下放电电极与的石墨组件金属导体层相连。上放电电极与石墨筒之间放置有环形绝缘垫片，上放电电极和石墨棒之间放置有圆形绝缘垫片；下放电电极与石墨筒之间放置环形绝缘垫片，下放电电极和石墨棒之间放置圆形绝缘垫片。上放电电极、下放电电极和石墨组件安装在绝缘支撑筒中，通过上绝缘支撑板、上绝缘盖板、下绝缘支撑板、下绝缘盖板和四根夹紧螺杆固定。

石墨筒与石墨棒可由纯度99％以上的石墨材料制成，或由含有金属触媒颗粒的石墨材体制成。

本发明的工作过程如下：

首先，通过充电设备对N路放电单元的储能电容进行充电，储存电能，利用放电开关和限流电感对负载并联放电，提高放电电流。

其次，通过时序控制器对每路开关进行时序控制，改变放电电流的叠加顺序，控制放电电流的持续时间。