СПОСОБ ПРОМЫШЛЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗОВ И ДРУГИХ ТВЕРДОФАЗНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ГРАФИТОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ, УСТРОЙСТВО И ЗАРЯД ДЛЯ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR INDUSTRIAL PRODUCTION OF DIAMONDS AND OTHER SOLID-PHASE NANOSTRUCTURED GRAPHITE FORMATIONS, APPARATUS AND CHARGE FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к технологии детонационного синтеза наноструктурированных графитовых образований, в частности алмазов, предназначенных для использования в химической, электрохимической промышленности, в фармакологии, при проведении биомедицинских исследований и др., например для получения катализаторов роста, алмазных и алмазоподобных пленок, в качестве основы оптических затворов - ограничителей интенсивности лазерного излучения, в качестве присадок для ракетных топлив, смазочного материала; наномодификатора для бетона, антифрикционной добавки к конструкционным материалам и смазкам, элемента холодных катодов, элемента нелинейно-оптических систем, в том числе широко полостных ограничителей лазерного излучения.
Известен способ получения наноуглеродного вещества (Патент RU №2041165, кл. C01B 31/06, 1995 г.), основанный на формировании кристаллического наноуглерода в детонационных волнах при детонации взрывчатого вещества (ВВ) с отрицательным кислородным балансом в замкнутом объеме в среде, инертной по отношению к углероду с последующим охлаждением продуктов детонации со скоростью 200-6000°C/мин.
К недостаткам этого способа можно отнести сложности с обеспечением необходимой скорости охлаждения. Известно, что наибольший выход ультрадисперсных алмазов (УДА) зависит от теплоемкости окружающей среды (например, газ, пенно-воздушная смесь, жидкость), в которой ведется синтез, ее вида и количества, приходящегося при прочих равных условиях (вид ВВ, его масса, объем взрывной камеры) на единицу массы ВВ, и повышается при увеличении количества инертной среды и ее теплоемкости. Это обусловлено тем, что чем больше теплоемкость среды, тем быстрее охлаждаются образовавшиеся частицы УДА без их графитизации.
В техническом решении, выбранном в качестве прототипа для заявляемых способа, устройства и составной части устройства - заряда взрывчатого вещества (Патент RU №2230702, кл. C01B 31/06, 2004 г.) была использована твердая бронировка заряда - лед, при которой за доли микросекунды до ее механического разрушения максимально полно успевает произойти образование частиц УДА.
В соответствии с прототипом получение наноуглеродного вещества, в частности наноалмазов, обеспечивается подрывом заряда взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом в герметичной взрывной камере в среде, инертной по отношению к конденсированным продуктам детонации, с их последующей очисткой, при этом заряд взрывчатого вещества подрывают в ледяной бронировке, причем соотношение льда к массе заряда (0,5-50):1.
3
3
Заряд ВВ, полученный с помощью литья, состоящий из чистого тротила или тротила и гексогена, или тротила и октогена, плотностью от 1,6 до 1,69 см, весом 1 кг, представляющий из себя цилиндр диаметром и высотой около 90 мм (высота цилиндра равна его диаметру), помещают внутрь ледяной бронировки весом 9 кг (ледяной цилиндр с диаметром 232 мм и высотой 232 мм с выемкой под заряд ВВ). Сборку помещают в центр герметичной взрывной камеры объемом 2,14 м и производят подрыв.
Поскольку в описании изобретения не раскрывается процедура подрыва заряда, то можно предположить, что подрыв заряда ВВ осуществлялся традиционным способом посредством электродетонатора (Даниленко В.В. «Синтез и спекание алмаза взрывом», М., Энергоатомиздат, 2003, стр.143).
Подрыв заряда ВВ во льду (ледяная бронировка) позволил резко понизить температуру конденсированных продуктов взрыва за счет:
- поглощения части энергии взрыва на разрушение (дробление) твердой бронировки;
- поглощения энергии на нагрев льда до температуры плавления;
- поглощения значительной части энергии (мольная энтальпия плавления 6 кДж/моль) взрыва на плавление льда;
- поглощения части энергии взрыва на нагрев воды до ~20°C (температура ее обычного использования для подрыва в ней заряда ВВ).
Кроме того, способ-прототип позволил снизить количество несгораемых примесей за счет обеспечения мягких условий подрыва зарядов ВВ во взрывной камере при бронировке льдом и, следовательно, незначительными коррозионными и ударными воздействиями продуктов детонации на стенки взрывной камеры.
Однако из-за недостаточно высокой эффективности взрыва, обусловленной использованием заряда ВВ, высота которого равна диаметру, а также за счет того, что в используемых для осуществления способа литых зарядах ВВ, также как и в зарядах, полученных методом горячего прессования, внутренние связи частично нарушены, выход готового продукта незначителен.
В патентах, выявленных при проведении исследований по данной теме, имеется информация о том, что при детонационном взрыве наряду с наноалмазами обычно образуются и другие твердофазные наноструктурированные графитовые образования, например нанотрубки, прирографиты, фуллерены и др.
Авторами заявляемого изобретения установлено, что для конденсации максимального количества углерода при взрыве заряда с отрицательным кислородным балансом необходимо выполнение следующих условий: максимально возможная плотность заряда; взрыв заряда в оболочке, «сильное» инициирование заряда, оптимальная форма заряда в виде удлиненного цилиндра.
Задачей, стоящей перед создателями изобретения, является повышение плотности заряда и эффективности взрыва.
В заявляемом способе промышленного получения алмазов и других твердофазных наноструктурированных графитовых образований путем подрыва в ледяной бронировке заряда взрывчатого вещества (ВВ) с отрицательным кислородным балансом в герметичной взрывной камере в среде, инертной по отношению к конденсированным продуктам детонации, с их последующей очисткой, поставленная задача решается за счет того, что создается предварительный инициирующий разряд путем подрыва дополнительного детонатора для усиления начального импульса, при этом заряд ВВ имеет удлиненную вдоль оси форму и получен холодным прессованием.
Соотношение льда к массе заряда составляет 3:1.
В заявляемом устройстве для осуществления заявляемого способа промышленного получения алмазов и других твердофазных наноструктурированных графитовых образований, включающем герметичную взрывную камеру, ледяную бронированную оболочку с размещенным внутри нее зарядом ВВ цилиндрической формы и электродетонатор, поставленная задача решается за счет того, что заряд ВВ имеет удлиненную вдоль оси форму и получен методом холодного прессования из мелкодисперсного тротила, при этом над зарядом ВВ размещен дополнительный детонатор для усиления начального импульса.
При этом первичный электродетонатор размещен в выемке дополнительного детонатора.
Заряд ВВ устройства для осуществления способа промышленного получения алмазов и других твердофазных наноструктурированных графитовых образований, имеющий цилиндрическую форму, выполнен удлиненным по оси и составным из двух или более цилиндрических элементов, соединенных, например, посредством клея.
Длина составного заряда ВВ в два и более раз превосходит его диаметр.
Заряд ВВ выполнен на основе тротила, измельченного до частиц размером от 100 до 900 мкм.
Таким образом, в заявляемых технических решениях удалось значительно повысить плотность заряда и эффективность взрыва.
Максимальная плотность заряда обеспечивается тем, что заряд ВВ выполнен на основе мелкодисперсного тротила с размером частиц от 100 до 900 мкм.
Эффективность взрыва наряду с заданием необходимой плотности заряда обеспечивается следующим:
- использование дополнительного детонатора для усиления начального импульса, то есть обеспечения «сильного» инициирования заряда (взрыва основного заряда ВВ);
- использование заряда ВВ удлиненной цилиндрической формы, длина которого в два и более раз превышает диаметр, позволяет увеличить мощность заряда и снизить действие отраженной волны;
- использование составного заряда ВВ позволяет эффективно сочетать качественную структуру заряда с увеличенной длиной, чего нельзя достигнуть в цельных зарядах, длина которых превосходит их диаметр; заряды с длиной, значительно превышающей диаметр, невозможно спрессовать с одинаковой плотностью по всей высоте заряда;
- использование заряда ВВ, полученного холодным прессованием, позволяет избежать разрушения внутренних связей, неизбежного при осуществлении литья или горячего прессования, что в свою очередь обеспечивает практически полное окисление углерода;
- использование соотношения массы льда к массе заряда в пределах 3:1 позволяет оптимизировать расходы при достижении необходимой эффективности охлаждения.
Проведенные патентные исследования показали, что заявляемые технические решения (способ, устройство и заряд ВВ) обладают новизной и изобретательским уровнем.
Указанные объекты могут быть использованы в промышленных или лабораторных условиях, следовательно, соответствуют условию патентоспособности - промышленная применимость.
Заявляется группа изобретений, одно из которых предназначено для осуществления другого, в частности способ и устройство для осуществления способа в целом, а также часть устройства, объединенных единым изобретательским замыслом, следовательно, заявляемые объекты соответствуют требованию единства.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлена конструкция заявляемого устройство и заряда ВВ.
Заявляемый способ промышленного получения алмазов и других твердофазных наноструктурированных графитовых образований осуществляется следующим образом.
Готовят составные заряды взрывчатого вещества (ВВ). Для этого предварительно измельченный до частиц размером от 100 до 900 мкм чешуированный тротил подвергают холодному прессованию с образованием элементов цилиндрической формы, при этом высота каждого элемента примерно соответствует его диаметру. Однако этим притязания не ограничиваются. Длина каждого элемента может быть больше или меньше диаметра, основное условие: в элементах не должны быть нарушены внутренние связи. Затем два или более подготовленных элемента соединяют между собой, например, посредством склеивания. К верхней поверхности соединенных между собой элементов заряда крепится дополнительный детонатор. В верхней части дополнительного детонатора выполняется углубление под электродетонатор. Полученный заряд имеет удлиненную вдоль оси форму, общая высота значительно превосходит диаметр.
Готовят ледяную бронировку, в которую помещают заряд ВВ с дополнительным детонатором.
Подготовленный заряд ВВ в ледяной бронировке помещают в герметичную взрывную камеру, подсоединяют электродетонатор, закрывают камеру. При этом во взрывной камере создается отрицательный кислородный баланс среды, инертной по отношению к конденсированным продуктам детонации.
Посредством электродетонатора производят подрыв дополнительного детонатора, инициирующий взрыв основного заряда ВВ.
Полученную водную суспензию, содержащую алмазы, а также другие твердофазные наноструктурированные графитовые образования, через клапан снизу камеры сливают в приемную емкость. Затем фильтруют через набор сит, магнитоулавливатель и подвергают центрифугированию для удаления водной части.
Устройство промышленного получения алмазов и других твердофазных наноструктурированных графитовых образований способом, описанным выше, включает:
- заряд ВВ, образованный из, по крайней мере, двух соединенных между собой цилиндрических элементов 1 и дополнительного детонатора 2, соединенной с торцевой поверхностью верхнего элемента 1;
- электродетонатор 3, размещенный в полости дополнительного детонатора 2;
- ледяную бронировку 4, охватывающую заряд ВВ;
- взрывную камеру 5 с крышкой 6 и клапаном 7 для слива полученной суспензии.
Заряд ВВ, как указано выше, состоит из двух или более цилиндрических элементов 1, высота которых обычно соответствует диаметру, но может быть больше или меньше диаметра, при этом элементы 1 склеены между собой и образуют вытянутый вдоль оси цилиндр. К верхнему элементу 1 приклеен дополнительный детонатор 2.
Элементы 1 получены из мелкодисперсного тротила методом холодного прессования.
Пример конкретного выполнения способа
3
3
Заряд ВВ массой 0,60 кг выполнен в виде удлиненного составного цилиндра в соотношении l/d 3,34:1, где l - длина составного цилиндра, a d - его диметр. Каждый из составных элементов 1 заряда - шашка - изготовлен методом холодного прессования. Заряд состоит из двух шашек из состава ТГ 40/60 (тротил/вещество A-IX-I) с плотностью 1,63-1,64 г/см и дополнительного детонатора 2 из состава на основе модифицированного октогена, полученной также методом холодного прессования с плотностью 1,76-1,77 г/см. Количество шашек может быть больше двух. Тротил перед смешением измельчен до частиц размером от 100 до 900 мкм.
3
Заряд помещают внутрь ледяной бронировки 4. Оптимальное соотношение массы льда к массе заряда 3:1. Сборку помещают в центр герметичной взрывной камеры 5 объемом 1,7 м. Инициирование заряда производят с помощью электродетонатора 3 и дополнительного детонатора 2. Применение дополнительного детонатора 2 обуславливает начальную скорость детонации до 8650 м/с. Взрывная камера 5 заполнена газообразными продуктами детонации от предыдущих взрывов.
В результате взрыва образуется пересжатая детонационная волна, на фронте которой формируются благоприятные условия по температуре и парциальному давлению атомов углерода для генерации углеродных кластеров, в частности наноалмазов и др.
После подрыва водную суспензию, содержащую наноалмазы и другие наноструктурированные графитовые образования, через клапан 7 снизу камеры 5 сливают в приемную емкость (на чертеже не показана). Затем фильтруют через набор сит, магнитоулавливатель и подвергают центрифугированию для удаления водной части.