专利名称:大规模生产人造金钢石地下核爆炸触媒法的制作方法
本发明属于一种冲击合成人造金刚石的方法。
利用现有技术获得人造金刚石的方法很多，但是具有商业价值的是爆炸冲击法。
例如84年第一期“人工晶体”发表的“用冲击法合成人造金刚石”一文中，对冲击合成金刚石的方法和使用的装置，系统的进行了分析。冲击法合成金刚石，是利用TNT炸药引爆后，产生的强冲击波作用于石墨，产生高温、高压，在几微秒的瞬间内，可以得到几百千巴的压强，使石墨直接转变成金刚石。冲击合成金刚石的方法很多，但为国内、外所广泛采用的是飞片定向冲击法。
该方法用压缩TNT粉作为平面波引爆药，位于柱状炸药上方，柱状炸药由TNT和R.D.X.以1∶1混合熔铸而成，在其下方安放石墨试样。飞片为厚1～6毫米的低碳钢板，安放在柱状炸药和石墨试样之间。
这种方法转化率较高，但金刚石生成空间小，生产工艺复杂，只能合成小颗粒金刚石和金刚石微粉，产量低，成本高。
本发明的目的是扩大金刚石生成空间，提高人造金刚石产量和质量，降低成本。
本发明把核爆炸作为强大的高压源，在其附近产生的压强可达几兆巴，温度超过十兆度;大地作为高压容器，它完全可以经受核爆炸产生的高压和高温;在地下，可以把人造金刚石的生成空间做得足够大，使用金属触媒又可以提高石墨的转化率。
为此，设计了地下横巷道，它包括填充区(2、3)、药室(4)和金刚石生成区(6)三部分。
本发明是利用核爆炸产生的高压，避开其高温。其原理如下假定核爆炸物呈球形，放置在足够深的，完整的，各向同性的岩石中，如图1所示，其中(1)、(2)和(3)，分别代表地面、岩石和核爆炸物。爆炸后，压强和温度的分布是各向同性，如图2所示，(1)和(2)仍代表地面和岩石，(3)为流态物质，此时等压强面(4)和等温面(4)呈球面形，一个等压强面同时又是等温面，压强高的地方温度亦高，压强低的地方温度亦低。
如果把图1所示的结构改变一下，得到图3所示的结构，此时核爆炸物(4)仍呈球形，岩石Ⅱ(3)与岩石Ⅰ(2)的性质完全相同，但不再是一个整体，此处的(1)代表地面，岩石Ⅱ(3)可以相对于岩石Ⅰ(2)运动。爆炸后等压强面与等温面如图4所示，其中(1)、(2)、(3)、(4)和(5)分别代表地面、岩石Ⅰ、岩石Ⅱ、流态物质和等压强等温面。此时，等温面仍是球面形，但等压强面不再是球面形。当压力远大于岩石Ⅱ(3)与岩石Ⅰ(2)之间的摩擦力时，摩擦力略去不计，可以近似地认为a处与b处的压强相同，如果岩石Ⅱ(3)足够长，则b处的温度远低于a处的温度，即在b处获得低温、高压。b处是理想的金刚石生成区。
实施方案。
实施地点应该选在岩石地区，并且要求岩石完整。
在实施过程中，会遇到许多其它问题，例如根据核爆炸物的TNT核当量，根据岩石的具体情况，确定核爆炸物的埋设深度，然后打竖井，开凿横巷道，放置核爆炸物，敷设引爆装置，严密封井等。这些技术都是成熟的技术，凡是有能力实施本发明者，都已经完全掌握了这项技术。
本发明的关键是横巷道，其结构与本发明的实施密切相关。
图5是横巷道的结构图。它由药室(4)，填充区(2、3)，金刚石生成区(6)三部分组成。
药室(4)放置核爆炸物(5)，填充区(2、3)分为二部分填充区Ⅰ(2)和填充区Ⅱ(3)。金刚石生成区(6)放置触媒金属(7)与石墨(8)组成的试样。填充区(2、3)的填充物(10)是水泥、钢筋、砂、石的混合体。竖井(1)穿过基体岩石(9)与横巷道垂直相通。
适当选择核爆炸物的TNT核当量很重要，核当量过大不仅加大生产成本，而且不利于人造金刚石的生成。石墨受到高压以后，由于原子间的摩擦，产生很高的温度，例如，在0.18兆巴时，石墨的温度为227℃，在0.6兆巴时，温度达到1027℃。地下核爆炸可以产生几兆巴的压强，石墨被压缩以后，产生很高的温度，当高压消失以后，如果降温不及时，已形成的金刚石又可能重新石墨化，从而降低金刚石转化率。因此，选择的压强应该使石墨被压缩以后产生的温度不超过1600℃。通过增大横巷道半径的方式降低压强。
填充区(2、3)把药室(4)同金刚石生成区(6)隔离开来，它有两个作用传递核爆炸产生的高压;降温、隔热使金刚石生成区(6)处于低温。
当核爆炸物在地下起爆后，在几微秒的时间内，产生极高的温度和一个由中心向外运动的强冲击波。此时，横巷道内的填充物(10)和石墨(8)等物质被压缩。在高温作用下，如果填充区(2、3)足够长，则部分填充物被熔化，部分填充物处于高温状态，部分填充物处于低温状态。此时，紧靠填充区(2、3)低温填充物的金刚石生成区(6)亦处于低温状态。因此，横巷道的长度必须大于横巷道内被压缩物质的长度与高温物质的长度之和，以保证金刚石生成区(6)处于低温区域。
起爆后不久的一段时间，横巷道内处于负压状态，这时，由于周围岩石的压力，横巷道内的填充物要向爆炸中心运动，这种运动不利于人造金刚石的合成。为了削弱这种运动，填充区(2、3)分成两部分填充区Ⅰ(2)和填充区Ⅱ(3)。填充区Ⅱ(3)的半径R2大于填充区Ⅰ(2)的半径R1;填充区Ⅱ(3)靠近金刚石生成区(6)，填充区Ⅰ(2)靠近药室(4)，当周围的岩石压迫金刚石生成区(6)里的物质，进而把填充区(2、3)里的填充物(10)推向爆炸中心时，由于填充区Ⅱ(3)的半径R2大于填充区Ⅰ(2)的半径R1，填充区Ⅰ(2)的巷道壁起到限制填充区Ⅱ(3)里的填充物向爆炸中心运动的作用，从而将这种运动削弱。
填充区(2、3)用水泥、钢筋、砂、石浇铸成一个整体，印图3中的岩石Ⅱ(3)，并使其相对于基体岩石运动，基体岩石为图3中的岩石Ⅰ(2)。
在合成金刚石过程中，需使用触媒金属，其目的是提高转化率;降低合成金刚石的压力和温度，避免高温引起金刚石重新石墨化。常用的触媒金属是Co或Ni。
石墨要选用去掉杂质的致密结晶状石墨，这种石墨的特点是结晶明显，晶体肉眼可见，颗粒大于0.1毫米，呈致密晶状结构。
石墨与触媒金属采用分层装填方法，印一层触媒金属，一层石墨，然后又是一层触媒金属，一层石墨，直至将金刚石生成区(6)装满为止，如图5中的(6)所示。生产完成后，在金刚石生成区(6)的上方打竖井，一直到达金刚石生成区(6)，然后将人造金刚石取出。
本发明具有金刚石生成空间大，产量高，金刚石颗粒大的优点，在应用地下核爆法建设地下工程(如油库、天然气库、水库等)的同时，进行人造金刚石生产，可进一步降低生产成本。
权利要求
1.现行冲击合成人造金刚石的一种方法是飞片定向冲击法，该方法把石墨试样放在TNT柱状炸药下方，并在两者间安放一块厚1～6毫米的低碳钢板，柱状炸药上方安放平面波引爆药，试样下方是铝基座，本发明的特征是采用地下横巷道作为生产人造金刚石的主体设施，横巷道由药室(4)、填充区(2、3)和金刚石生成区(6)组成，药室(4)放置核爆炸物，金刚石生成区(6)放置致密结晶状石墨(8)与触媒金属(7)，填充区(2、3)把药室(4)同金刚石生成区(6)隔离开，横巷道的长度必须大于横巷道内被压缩物质的长度及高温物质长度之和。
2.根据权利要求
1所述的横巷道，其特征是填充区(2、3)分成两部分填充区Ⅰ(2)和填充区Ⅱ(3)，填充区Ⅱ(3)的半径R2大于填充区Ⅰ(2)的半径R1;填充区Ⅱ(3)靠近金刚石生成区(6)，填充区Ⅰ(2)靠近药室(4)。
3.根据权利要求
1或2所述的横巷道，其特征是填充区(2、3)的两部分用水泥、钢筋、砂、石浇铸成一个整体，并且可相对于基体岩石运动。
专利摘要
本发明大规模生产人造金刚石地下核爆炸触媒法。属于一种冲击合成人造金刚石的方法。以核爆炸作为高压源，采用地下横巷道作为合成金刚石的主体设施，它包括药室、填充区和金刚石生成区。横巷道长度大于其内部被压缩物质的长度及高温物质长度之和。填充区分为半径不等的两部分，用水泥、钢筋、砂、石浇铸成一个整体，并可相对于基体岩石运动。本发明具有金刚石生成空间大，产量高，颗粒大，成本低的优点。
文档编号B01J3/08GK85102963SQ85102963
公开日1985年10月10日 申请日期1985年4月22日
发明者李殿双 申请人:李殿双导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan