立方氮化硅材料的冲击波合成方法及合成装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种立方氮化硅材料的冲击波合成方法及合成装置。本发明专利技术采用爆轰加载装置产生的冲击波高压和高温条件，将低压六方相氮化硅材料合成为高压立方相氮化硅新材料。采用本发明专利技术的制备方法，可以获得大量更廉价的立方氮化硅材料，具有较好的工业应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超硬材料合成领域，具体涉及立方氮化硅材料的合成方法及合成装置，尤其是采用可控的爆轰加载装置将低压六方(α和β相)氮化硅经高压合成转变为立方氮化硅的方法及装置。
技术介绍
立方氮化硅是一种性能优异的新型功能材料，与目前普遍使用的α和β氮化硅相比，具有更多的独特性能。目前，立方相结构的氮化硅可以通过高温高压条件合成，如采用静高压技术或是轻气炮作冲击波加载方式的动高压技术来人工合成立方相氮化硅材料。1999年7月Zerr等人在Nature杂志第400期上首次报道采用金刚石压砧(DAC)静高压技术人工合成立方氮化硅，但获得的产量非常有限，只有约5×10-5毫克。2000年7月日本物质与材料研究机构物质研究所的Sekine等人在Appl.Phys.Lett.第76期上发表了利用气体炮加载的冲击波压缩技术合成立方氮化硅，单次合成实验获得的产量也只有100毫克左右。同年丹麦学者Jiang和德国学者Schwarz等人也分别利用多顶砧(MA)高压技术合成立方氮化硅多晶试样，但他们的单次合成实验获得的产量仅约6-7毫克(Europhys.Lett.，2000，5162-67及Advanced Mater.，2000，12883-887.)。综上所述，利用现有技术合成的立方氮化硅新材料仅仅能够满足实验室科研的需要，无法满足工业应用。现有的技术合成立方氮化硅产量过低，且条件苛刻，成本昂贵，实验室操作复杂。难以满足大量制备廉价的立方氮化硅材料的需求。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的立方氮化硅材料制备条件苛刻，产量低的不足之处，本专利技术提供一种立方氮化硅材料的冲击波合成方法及其合成装置。本专利技术的立方氮化硅材料的冲击波合成方法主要利用合成装置爆轰产生的冲击波高压和高温条件来实现立方氮化硅的合成。本专利技术的立方氮化硅材料的冲击波合成方法依次包括下列步骤a.将质量百分含量为80％～90％的铜粉与含量为10％～20％的α相(或β相)氮化硅粉体原料混合，并放至玛瑙研钵中研磨均匀； b.将研磨好的原料混合物加入到铜质原料腔套中，用活塞式压杆在液压机上进行加压，压力为2Mpa～10Mpa压实，将原料腔套密封形成原料盒；c.把原料盒置于回收装置部分中；d.再在回收装置部分上端装配爆轰加载装置部分；e.在爆轰加载装置部分的装药筒底部安装铜飞片；f.然后往装药筒中倒入硝基甲烷液体炸药；g.最后在装药桶上端装配雷管；h.雷管引爆硝基甲烷主炸药，爆轰加载装置部分工作，压缩回收装置部分中原料盒内的原料，原料发生高压相变转化为立方相氮化硅。步骤b中的原料腔套密封采用铜质螺杆。步骤e中的铜飞片为直径60mm，厚1mm的铜圆片。步骤f中的硝基甲烷液体炸药装药量为1.5kg～2.0kg。用于立方氮化硅材料的冲击波合成方法的合成装置，包括回收装置部分、爆轰加载装置部分。回收装置部分的最外端部件为一动量环，动量环由中空的铁圆柱体制成；动量环的环内最上端设置有一铁衬套，铁衬套内安放原料盒，原料盒由原料腔套和螺杆组成，原料盒的材料为铜；动量环的环内下端设置有铁圆柱体动量块。爆轰加载装置部分含有雷管、主炸药和飞片，飞片设置在装药筒的底部；装药筒内所装主炸药为硝基甲烷液体炸药；装药桶上端装有雷管。爆轰加载装置部分通过支杆置于回收装置部分上端。低压六方氮化硅粉体指的是α相或β相氮化硅粉体，粉体原料的粒度约为1μm～10μm，质量百分含量为10％～20％。添加的铜粉的质量百分含量为80％～90％，粒度为200目～300目，铜粉在这里作为为冷却剂，主要起冷却降温的作用。铜粉与低压相氮化硅粉体混合物的压实是利用活塞式压杆在液压机上进行加压，压力为2Mpa～10Mpa。炸药爆轰驱动的平面飞片加载装置中的炸药采用的是硝基甲烷液体炸药，飞片材料为无氧铜，以获得平面冲击波及更高的击靶速度。回收装置部分中的原料腔套和铜质螺杆均采用无氧铜材料，以有效保护原料盒体不被碰撞破坏并实现原料的完整回收。为了保护原料盒体不被碰撞破坏以实现原料的完整回收，并且不与低压六方氮化硅粉体反应，采用了无氧铜作原料盒材料。为避免原料盒在高温高压条件作用下出现炸腔，在回收装置部分设计了动量块，以便快速有效卸载原料盒中的压力。作为爆轰加载装置部分，采用硝基甲烷液体炸药，以得到平面性良好的平面冲击波，碰撞飞片采用无氧铜材料，能提高碰撞速度，爆轰加载装置工作时驱动击靶飞片高速运动，回收装置部分中的原料盒受到飞片的高速撞击，盒内所装填原料将经历冲击波压缩。在受到冲击波压力50Gpa～60Gpa、冲击温度3600K～5000K的匹配的冲击波压力和温度的脉冲压缩后，α相或β相氮化硅原料发生高压相变转化为立方氮化硅。采用本专利技术的制备方法，可以获得大量、更廉价的立方氮化硅材料。单次合成实验的产品量达到克量级。本专利技术的方法具有较好的工业应用前景，有助于人们更全面地了解和认识立方氮化硅的特性，拓展它在工业技术中的应用范围。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术的合成装置的结构示意图。图2是采用本专利技术制备的立方氮化硅粉体的X射线衍射图。图中1.雷管 2.上盖板 3.装药筒 4.主炸药 5.飞片 6.下盖板7.支杆 8.铁衬套 9.原料盒 10.装填原料 11.动量环 12.动量块具体实施方式在本专利技术的立方氮化硅材料的冲击波合成方法中，采用了专用合成装置来产生高温高压以实现材料的相变合成，即利用炸药的爆炸能来驱动飞片高速碰撞原料盒，在原料盒中产生瞬时的高温高压，使得填装在靶盒中的α或β相氮化硅原料受脉冲冲击波压缩发生相变转化成立方氮化硅。图1是本专利技术的合成装置的结构示意图，合成装置包括爆轰加载装置部分和回收装置部分，整个装置外形为圆柱状。图中，爆轰加载装置部分含有雷管1、主炸药4、飞片5、上盖板2和下盖板6，装药筒3的顶部和底部分别设置有上盖板2和下盖板6，飞片5设置在装药筒3的底部；装药筒3内所装主炸药4为硝基甲烷液体炸药；装药桶3上端装有雷管1，爆轰加载装置部分通过支杆7置于回收装置部分上端。回收装置部分的最外端部件为一动量环11，动量环11由中空的铁圆柱体制成；动量环11的环内最上端设置有一铁衬套8，铁衬套8内安放原料盒9，原料盒9由原料腔套和螺杆组成，原料盒9的材料为铜；动量环11的环内下端设置有铁圆柱体动量块12。本专利技术的工作过程为通过雷管1将主炸药4引爆，然后主炸药4爆轰驱动飞片5高速运动，飞片5高速撞击产生冲击波瞬时压缩回收装置部分中的装填原料10；回收装置部分设置有吸收剩余冲击波能量、用于实现原料完整回收的动量环11、动量块12。在本专利技术的合成装置中，装药筒3中所装的硝基甲烷主炸药4药量为1.5kg～2.0kg，铜飞片5为直径60mm的圆片。确定了主炸药4药量和飞片5参数，就可保证爆轰加载装置部分能输出合成所需匹配的的冲击波压力和温度，即冲击波压力50Gpa～60Gpa、冲击温度3600K～5000K。采用延展性良好的铜材料作飞片5，以保证回收装置有足够抗冲击强度，确保原料盒9不破裂，使原料能完整地回收。实施例1称取2.3克粒度为1μm～10μm的α相氮化硅粉体作初始原料，再称取9.2克粒度为200目～300目的铜粉与α相氮化硅原料混合均匀，其中铜粉为添本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种立方氮化硅材料的冲击波合成方法，其特征在于：依次包括下列步骤　　　　ａ．将质量百分含量为８０％－９０％的铜粉与含量为１０％－２０％的α相（或β相）氮化硅粉体原料混合，并放至玛瑙研钵中研磨均匀；　　　　ｂ．将研磨好的原料混合物加入到铜质原料腔套中，用活塞式压杆在液压机上进行加压，压力为２Ｍｐａ～１０Ｍｐａ压实，密封原料腔套形成原料盒；　　　　ｃ．把原料盒置于回收装置部分中；　　　　ｄ．再在回收装置部分上端装配爆轰加载装置部分；　　　　ｅ．在爆轰加载装置部分的装药筒底部安装铜飞片；　　　　ｆ．然后往装药筒中倒入硝基甲烷液体炸药；　　　　ｇ．最后在装药桶上端装配雷管；　　　　ｈ．雷管引爆硝基甲烷主炸药，爆轰加载装置部分工作，压缩回收装置中原料盒内的原料，原料发生高压相变转化为立方相氮化硅。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雨生，贺红亮，刘高旻，杜金梅，张福平，张毅，王海晏，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]