(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
爆薬を用いて金属板の一面と回転対称な錐形の凹面を有する金属部材の凹面とを高速度で衝突させることにより、衝突点から発生する毎秒１０kmを超える速度の金属ジェットを前記凹面の回転対称軸に集束させて１ＴＰａを超える圧力を発生させることを特徴とする超高圧の発生方法。
【請求項２】
爆薬を用いて金属板の一面と回転対称な錐形の凹面を有する金属部材の凹面とを高速度で衝突させることにより、衝突点から発生する毎秒１０kmを超える速度の金属ジェットを前記凹面の回転対称軸に集束させて１ＴＰａを超える圧力を発生するにあたり、予め前記金属板の一面と前記金属部材の凹面の少なくとも一方に化学反応物質又は物理反応物質を付着させておくことによって、高速衝突に伴うジェット形成時の剪断作用とジェット集束衝突時の超高圧作用とにより、前記反応物質の化学反応又は物理反応を誘起させることを特徴とする物質の合成方法。
【請求項３】
爆薬を用いて金属板の一面と回転対称な錐形の凹面を有する金属部材の凹面とを高速度で衝突させることにより、衝突点から発生する毎秒１０kmを超える速度の金属ジェットを前記凹面の回転対称軸に集束させて超高圧を発生させ、高速衝突に伴うジェット形成時の剪断作用とジェット集束衝突時の１ＴＰａを超える圧力の作用とにより、前記金属板の材料と前記金属部材の材料との化学反応又は物理反応を誘起させることを特徴とする物質の合成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は爆薬を用いた超高圧の発生方法及びこれにより発生する超高圧を利用した物質の合成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
爆薬の爆轟圧や高速飛翔体の衝突圧等を利用して、試料に衝撃高圧を作用させ、試料物資の化学反応、物理反応を誘起させて、新物質を創製しようとする試みは、既に前世紀の後半から各種試みられ、人工ダイアモンドの合成等、数々の成果を収めてきた。
超高圧を発生するために様々な方法が提案されている。
例えば、プランジャー方式やベルト方式などの静的な方法が考えられているが、装置を構成する材料の強度に限界があるために、ある限界以上の超高圧は静的な方法では実現が難しい。
そこで動的な方法が各種試みられているが、いずれも以下に述べるような欠点があり、到達できる超高圧には限界がある。
【０００３】
（１）飛翔体を発射させ、それを粉体に衝突させる方法
飛翔体に高速度を与えるためにライトガス銃等を用いる方法である。当該方法では、到達できる飛翔体の速度はヘリウムガス使用時に毎秒５ｋｍ、水素ガス使用時にせいぜい毎秒１０ｋｍであり、そのため、数百ＧＰａ以上の飛翔速度を得ることは非常に困難である。
【０００４】
（２）ジャイアントパルスレーザーを試料面に照射する方法
高出力のジャイアントパルスレーザーを試料面に瞬間的に照射することによって、その背面に超高圧を発生させる方法が知られている。当該方法では、照射の初期に試料面が極めて高温になって蒸気を発生するために、以後のレーザー照射のエネルギーが蒸気に吸収されて、試料面に到達するエネルギーは減衰する。従って、そのため、数百ＧＰａ以上の超高圧を得ることは非常に困難である。
【０００５】
（３）円筒衝撃波集束法
円筒状に爆薬を配置し、起爆後に発生した爆轟波を中心に向かって集束させ、超高圧を得る方法である。当該方法では、爆薬の爆轟圧に限界があり、集束させた場合にも爆轟波の背後から稀薄波が追いついて来るために、集束爆轟波による爆轟圧の上昇は、元の爆轟圧のせいぜい２倍である。
また、当該方法を改良して、例えば爆薬の内部に円筒管を配置し、これを爆轟圧によって半径方向に飛翔させる方法もあるが、爆轟圧の作用によって飛び出す金属管の速度は、せいぜい毎秒３ｋｍである。従って、数百ＧＰａ以上の超高圧を得ることは非常に困難である。
【０００６】
（４）水中衝撃波の集束による方法
爆轟圧によって誘起される水中衝撃波を円錐状の容器の中で集束させて超高圧を得る方法である。当該方法でも、稀薄波が背後から追いついて来るために、爆轟圧のせいぜい２〜３倍が最大到達圧力であり、数百ＧＰａ以上の超高圧を得ることは非常に困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
物質の合成は、しばしば極限的な環境下に物質を置くことによって化学的、物理的反応を誘起して行われる。その極限の限度を少しでも高めることが新しい物質創製の条件となることが多い。本発明は、超高圧の圧力をこれまでの方法で到達できなかった、１ＴＰａ程度の超高圧のレベルに原理的に引き上げることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記超高圧を発生するために鋭意研究した結果、爆薬を用いた金属板の圧着において、衝突点に生じる高速度の金属ジェットを利用することができることに想到した。
二枚の金属板を重ね合わせて爆発圧着を行う場合、一方の金属板は他方の金属板に対して衝突する。その時、爆発の圧力によって一方の金属板が高速で移動することを飛翔と呼んでいる。
飛翔の結果、衝突点から発射される金属ジェットは、衝突する物質の移動速度の約２倍の速度を持つことが知られている。これを両側から対向させ、衝突させて集束すれば、衝突速度は更にその２倍になる。本発明は、この現象を利用して衝撃超高圧を発生させようとするものである。
【０００９】
即ち、本発明は、爆薬を用いて金属板の一面と回転対称な錐形の凹面を有する金属部材の凹面とを高速度で衝突させることにより、衝突点から発生する毎秒１０kmを超える速度の金属ジェットを前記凹面の回転対称軸に集束させて１ＴＰａを超える圧力を発生させることを特徴とする超高圧の発生方法である。
【００１０】
また、本発明の物質の合成方法は、爆薬を用いて金属板の一面と回転対称な錐形の凹面を有する金属部材の凹面とを高速度で衝突させることにより、衝突点から発生する毎秒１０kmを超える速度の金属ジェットを前記凹面の回転対称軸に集束させて１ＴＰａを超える圧力を発生するにあたり、予め前記金属板の一面と前記金属部材の凹面の少なくとも一方に化学反応物質又は物理反応物質を付着させておくことによって、高速衝突に伴うジェット形成時の剪断作用とジェット集束衝突時の超高圧作用とにより、前記反応物質の化学反応又は物理反応を誘起して行うことを特徴とする物質の合成方法である。
【００１１】
更に、本発明の物質の合成方法は、爆薬を用いて金属板の一面と回転対称な錐形の凹面を有する金属部材の凹面とを高速度で衝突させることにより、衝突点から発生する毎秒１０kmを超える速度の金属ジェットを前記凹面の回転対称軸に集束させて超高圧を発生させ、高速衝突に伴うジェット形成時の剪断作用とジェット集束衝突時の１ＴＰａを超える圧力の作用とにより、前記金属板の材料と前記金属部材の材料との化学反応又は物理反応を誘起させることを特徴とする物質の合成方法である。
【００１２】
本発明の物質の合成方法によって、多大の種類の物質の合成を行うことが可能となる。例えば、金属系超伝導物質、形状記憶合金、水素吸蔵合金等の各種金属間化合物の生成を行うことができる。また、凹面を有する金属部材と金属円板との間の空間にアルゴン等の不活性ガスを封入しておけば、不活性ガスを金属格子間に侵入させることが可能となる。
前記金属板と前記金属部材を反応性の低い材料で製作し、いずれかの表面に炭素微粉末を塗布しておくことにより、ダイアモンドを合成することが可能である。また、ＳｉとＣとを反応させることでＳｉＣを生成することが可能である。
また、前記金属板と前記金属部材の少なくとも一方の物質と他の物質とを反応させることも可能である。例えば、前記金属板と前記金属部材をＴｉで製作し、そのいずれか一方の表面にＣ微粉末を塗布しておき、ＴｉとＣとを反応させてＴｉＣを生成することが可能である。
【００１３】
本発明において、金属板と凹面を有する金属部材の一方は、通常の爆発圧着に用いられる金属板のように、飛翔し得る薄さを持つ必要がある。また、他方は、大きな質量を有し、又は、大きな質量を有する土台等の上に置かれることが望ましい。
例えば、前記金属板を飛翔するものとし、他方の凹面を有する金属部材は大きな質量を有するブロック部材とすることが実用的である。
【００１４】
爆薬としては、例えば、通常爆発圧着等に使用される程度の爆速を有する爆薬が用いられ、爆速が２，０００ｍ毎秒以上の爆薬を用いることが望ましく、４，０００ｍ毎秒以上の爆薬を用いることが更に望ましく、６，０００ｍ毎秒以上の爆薬を用いることが更に望ましい。
金属板を飛翔させる場合、爆薬の量は、飛翔させる金属板の質量のおよそ０．５倍以上であれば金属板は飛翔し、他の金属に衝突したとき金属ジェットも発生することが知られている。本発明において、金属板を飛翔させる場合には、金属板の質量と同程度以上の量の爆薬を用いることが望ましい。また、爆薬は、前記凹面に対して、前記金属板を介して、全面を覆って配置することが望ましい。
【００１５】
金属板を飛翔させる時、その厚さは、少なくとも２ｍｍであることが望ましい。２ｍｍよりも薄い場合は飛翔速度が内部圧力によって低下する恐れがある。特に、飛翔させる金属板が箔のように薄い金属板よりなる場合には、例えばその上に爆薬を配するとき、爆薬の質量負荷に耐えることができない。しかし、その場合にも、金属箔を補強板に接着しておき、その補強板で爆薬の質量負荷に耐えるものとすることができる。
前記金属ジェットを効率良く集束させるには、前記凹面を例えば直円錐凹面とすることが実用的である。また、円錐の回転軸方向に緩やかな曲面を形成したものとしてもよい。
【００１６】
この時、爆薬は、前記回転軸上に回転対称に配することが望ましく、この時、発生する金属ジェットは、円錐凹面内の空間の回転中心軸上に集束される。
前記円錐凹面の底角は、爆薬の種類、量、金属円板の材質、厚さ等によっても異なるが、およそ好ましくは５〜６０°、更に好ましくは１０〜４５°、更に好ましくは１５〜３５°である。
前記円錐凹面の開口直径は、５０ｍｍの実験室レベルのものから大量のジェットを発生させるための１ｍ程度のものもあり得る。
【００１７】
前記金属板の材料と前記凹面をなす金属部材の材料は、音速の高い材料よりなることが望ましい。また、他の化学反応物質又は物理反応物質に対して、それ自体反応性の低い物質よりなることが望ましい。例えば、銅以上の高い音速を有し、銅以下の低い反応性を有する材料であることが望ましい。
また、本発明においては、化学反応物質又は物理反応物質と金属板の材料物質或いは凹面を有する金属部材の物質との間で反応を起こさせることも可能である。更に、これらの構成する金属材料の間のみで反応を起こさせることも可能である。
【００１８】
[作用]
本発明の作用を図１に基づいて説明する。
図１は、本発明の作用を説明するための、金属板及び直円錐凹面を有する金属部材等を表す概念図である。図１において、金属板１及び凹面を有する金属ブロック部材２は、中心軸を通る断面図によって表されている。
【００１９】
本発明においては、高性能爆薬の爆轟圧によって、金属板１を高速度で飛翔させ、それを金属ブロック部材２の円錐凹面に衝突させる。図１の（ａ）は、金属板１の上に配された爆薬（図示せず）が起爆し、金属板１がまさに円形に窪んで変形し始めた瞬間を表す。図１の（ｂ）は、金属板１が金属ブロック部材２の直円錐凹面に衝突しつつある過度的な状態を表す。図１の（ｂ）に示されるように、金属板１の衝突は先ず直円錐凹面の円形開口の全円周から始まる。そして、金属板１は、円周上で円錐凹面と衝突し、時間と共に円錐深部へと進む。
【００２０】
爆薬として、爆速が５，０００ｍ毎秒を超える高性能爆薬を用いる場合、衝突点から金属ジェットが通常毎秒１０ｋｍを超える高速度で中心軸に向かって発射される。この金属ジェットを太い矢印３で示す。図１の（ｂ）に示すように、中心軸上では発射された高速の金属ジェットが対向的に激しく衝突して集束する。
この衝突は必ずしも正面衝突ではないが、両側から対向的に発射されて衝突するので、相対的な衝突速度は毎秒１５ｋｍ以上に達する。このとき、衝撃波の圧力は、（物質の密度）×（物質の速度）2よりはるかに高い。例えば、銅の密度は９，０００ｋｇ／ｍ3であるので、金属ジェットの衝突によって発生する圧力は１ＴＰａを遙かに超える。
【００２１】
また、金属円板１と円錐凹面の衝突は円錐凹面の外周部から円錐の深部へと進行するが、その間にジェットの発射が連続的に継続するので、超高圧の持続時間が長く維持できるという点でも、本発明の方法は他に類を見ないものである。
本発明の方法では、円板が円錐面に衝突してジェットが発生する時、巨大な圧縮力と剪断力の複合作用が生じる。したがって、円錐面上に例えば異種物質の混合粉末が存在していると、ジェット発射時に粉末同士等が激しく混合し、高温となって活性化される。本発明の方法では、更に、それを中心軸上で集束衝突させることができるので、超高圧を負荷して物理反応及び化学反応を誘起することが可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明について、更に他の図面を参照して説明する。
図２は、本発明に関わる超高圧発生装置の一例の概略断面模式図である。
図２に示す通り、アルミニウムよりなる円形の金属板１（厚さ２ｍｍ）を、チタンよりなり、直円錐凹面を有するブロック部材２（円錐底角４は２５°、円錐開口直径７０ｍｍ）の上に円形開口部を覆って載せた。円形の金属板１の回転軸線とブロック部材２の円錐軸線とを一致させた。
円形の金属板１の直径は、図２に示すように、円錐凹面の開口直径を覆うのに十分な寸法であることが望ましい。但し、円形の金属板１の直径は、原理的には円錐凹面の開口直径と同一であってもよく、又、円錐凹面の開口直径より小さくても本発明の実施は可能である。
【００２３】
主爆薬５として可塑性爆薬（旭化成株式会社製ＳＥＰ爆薬；密度１，２００ｋｇ／ｍ3、爆速６，９００ｍ／ｓ）を円板状に厚さ７ｍｍに成形し、金属板１上に密着して載せた。主爆薬５の起爆のために、円錐状に作った副爆薬６をその底面が主爆薬の外周に一致するように設けた。これに電気雷管７を副爆薬６の頂上部に備えて爆轟圧発生部とした。
円錐凹面の最深の中央部即ち最下部となる頂角部には直径１０ｍｍ、深さ１８ｍｍの孔８を設け、孔の更に最下部には蓋９を設けた。この孔８を反応物質回収部とした。
この状態で、起爆実験を行った結果、ＴｉＡｌ３という化合物が生成したことが確認された。この生成物は孔８より回収された。
【００２４】
また、前記と同寸法の金属板及び金属ブロック部材を銅で製作し、銅ブロック部材の凹面にＢＮ（窒化ほう素）微粉末とＣ（炭素）微粉末とを混合したものを薄く塗布し、前記と同様の爆薬を同量用いて起爆実験を行った。その結果、ＢＣＮが生成したことが確認された。この生成物は孔８より回収された。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の方法を用いることによって次の効果が得られる。
（１）１ＴＰａ程度の超高圧を得ることができる。
（２）超高圧の持続時間を原理的に長く持続できる。
（３）化学反応又は物理反応を起こすべき物質が高速衝突に伴うジェット形成時の激しい剪断作用により混合されて活性化され、更に超高圧作用により化学反応、物理反応が誘起されやすい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を説明するために金属板及び例として円錐凹面を有する金属部材等を表す概念図である。
【図２】本発明に関わる超高圧発生装置の一例の概略断面模式図である。
【符号の説明】
１  金属板
２  金属ブロック部材
３  金属ジェット（概念図示）
４  円錐底角
５  主爆薬
６  副爆薬
７  電気雷管
８  孔
９  蓋
【図１】
0004960550.tif 000002
【図２】
0004960550.tif 000003