特許 7340108 爆轟合成用二重管接続構造、爆轟合成装置、爆轟合成用二重管接続構造又は爆轟合成装置の使用、および高強度複合管又は高強度圧力容器の作製方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-29

(45)【発行日】2023-09-06

(54)【発明の名称】爆轟合成用二重管接続構造、爆轟合成装置、爆轟合成用二重管接続構造又は爆轟合成装置の使用、および高強度複合管又は高強度圧力容器の作製方法

(51)【国際特許分類】

   B01J 3/08 20060101AFI20230830BHJP

   C01B 32/26 20170101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

B01J3/08 D

C01B32/26

B01J3/08 M

B01J3/08 N

B01J3/08 L

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022543391

(86)(22)【出願日】2021-01-18

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-02-02

(86)【国際出願番号】 CN2021072433

(87)【国際公開番号】W WO2021147805

(87)【国際公開日】2021-07-29

【審査請求日】2022-07-21

(31)【優先権主張番号】202010071587.0

(32)【優先日】2020-01-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】522282645

【氏名又は名称】成都奇点無限科技有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＣＨＥＮＧＤＵ ＩＮＦＩＮＩＴＥ ＳＩＮＧＵＬＡＲＩＴＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110002103

【氏名又は名称】弁理士法人にじいろ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】張万甲

(72)【発明者】

【氏名】張曄

(72)【発明者】

【氏名】范力瀾

(72)【発明者】

【氏名】張旻

【審査官】太田 一平

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－２５３８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭４７－０３４５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１２１９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３０６６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２５４５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－０９５５４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－０９３５９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｊ ３／００ － ３／０８

Ｃ０１Ｂ ３２／００ － ３２／９９１

Ｆ４１Ａ １／００ － ９９／００

Ｆ４１Ｂ １／００ － １５／１０

Ｆ４１Ｃ ３／００ － ３３／０８

Ｆ４１Ｆ １／００ － ７／００

Ｆ４１Ｇ １／００ － １１／００

Ｆ４１Ｈ １／００ － １３／００

Ｆ４１Ｊ １／００ － １３／０２

Ｆ４２Ｂ １／００ － ９９／００

Ｆ４２Ｃ １／００ － ９９／００

Ｆ４２Ｄ １／００ － ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

駆動管（４）と、サンプル管（２）と、固定アッセンブリと、前記サンプル管（２）の両端に設置される端栓（７）とを備え、
前記駆動管（４）が前記サンプル管（２）の外部に環装され、前記駆動管（４）と前記サンプル管（２）および前記端栓（７）との間にキャビティ（３）が形成され、前記固定アッセンブリが、前記駆動管（４）および前記サンプル管（２）の両方の両端に設置されるとともに、前記駆動管（４）および前記サンプル管（２）を固定するためのものであり、
前記駆動管（４）の頂部に設置される前記固定アッセンブリは、固定リング（９）と少なくとも１層のカバー板（１０）とを含み、
前記固定リング（９）の一端が駆動管（４）の頂部と接続され、前記固定リング（９）の他端が前記カバー板（１０）と接続され、
前記カバー板（１０）が前記キャビティ（３）を密封するためのものであり、
前記駆動管（４）の底部に設置される前記固定アッセンブリは、固定リング（９）とベース（１１）とを含み、
前記固定リング（９）の一端が前記駆動管（４）の底部と接続され、前記固定リング（９）の他端が前記ベース（１１）と接続され、
前記ベース（１１）が固定および支持の役割を果たすものであり、
前記駆動管（４）の頂部および/または底部と前記固定リング（９）の端部とが接合で接続されて同軸の筒体構造が形成され、
前記固定アッセンブリは、固定ブロック（８）をさらに含み、
前記固定ブロック（８）が前記固定リング（９）内に設置され、前記固定ブロック（８）の一端が前記端栓（７）と接続され、前記固定ブロック（８）の他端がカバー板（１０）またはベース（１１）と接続され、
前記固定アッセンブリは、爆轟波が前記駆動管（４）の端部および前記端栓（７）と前記固定アッセンブリとの接続箇所まで伝播するとき、爆轟波の作用により、前記駆動管（４）の端部および前記端栓（７）との接続箇所で、前記駆動管（４）の端部および前記端栓（７）との接続が解除され、外へ飛び出す程度の強度で前記駆動管（４）の端部及び前記端栓（７）に接続される、
ことを特徴とする爆轟合成用二重管接続構造。

【請求項2】

前記駆動管（４）の内壁と前記サンプル管（２）の外壁との間の周方向隙間を前記キャビティ（３）とする、ことを特徴とする請求項１に記載の爆轟合成用二重管接続構造。

【請求項3】

前記駆動管（４）が被覆して接触する前記端栓（７）の部位の外径が前記サンプル管（２）の外径よりも小さい、ことを特徴とする請求項１または２に記載の爆轟合成用二重管接続構造。

【請求項4】

前記端栓（７）は、テーパ構造からなり、テーパ構造の大径端が前記サンプル管（２）と接続する、ことを特徴とする請求項３に記載の爆轟合成用二重管接続構造。

【請求項5】

前記駆動管（４）の底部端面および／または頂部端面に、軸方向に沿って外へ延在する位置制限リングＩが設置され、対応する前記固定リング（９）の端面に、軸方向に沿って外へ延在する位置制限リングＩＩが設置され、前記位置制限リングＩと前記位置制限リングＩＩとの環装により前記駆動管（４）と前記固定リング（９）との接続を実現する、ことを特徴とする請求項１に記載の爆轟合成用二重管接続構造。

【請求項6】

ハウジング（１３）と、ハウジング（１３）内に設置される請求項１～５のいずれか１項に記載の爆轟合成用二重管接続構造とを備え、
前記ハウジング（１３）の内壁と駆動管（４）の外壁との間のキャビティ内に主爆薬（５）が充填され、
前記駆動管（４）およびサンプル管（２）の両方の底端が固定アッセンブリを介して支持盤（１２）に取り付けられ、前記支持盤（１２）がハウジング（１３）の底端を封止するためのものであり、
前記ハウジング（１３）の頂端に起爆部品が設置される、ことを特徴とする爆轟合成装置。

【請求項7】

前記起爆部品は、起爆薬（６）と、雷管固定板（１４）と、雷管（１５）とを含み、
前記起爆薬（６）が主爆薬（５）の頂層に敷設され、起爆薬（６）に雷管固定板（１４）が設置され、前記雷管固定板（１４）に雷管（１５）が固定される
ことを特徴とする請求項６に記載の爆轟合成装置。

【請求項8】

請求項１～５のいずれか１項に記載の爆轟合成用二重管接続構造又は請求項６若しくは７に記載の爆轟合成装置の使用であって、
前記爆轟合成用二重管接続構造又は前記爆轟合成装置は、材料を高圧相に相転移させることに使用され、または硬質材料を粉砕することに使用される、ことを特徴とする爆轟合成用二重管接続構造又は爆轟合成装置の使用。

【請求項9】

高強度複合管または高強度圧力容器の作製方法であって、
請求項１～５のいずれか１項に記載の爆轟合成用二重管接続構造又は請求項６若しくは７に記載の爆轟合成装置を用いた爆轟により、前記高強度複合管又は前記高強度圧力容器を作製する、ことを特徴とする作製方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、新材料合成の技術分野に属し、具体的に、爆轟合成装置、その使用、高圧相材料、高強度複合管、高強度圧力容器、高強度複合管又は高強度圧力容器の作製方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ダイヤモンドは、希少な多機能材料であり、現在、天然に存在する物質のうちの最も硬度が高いものである。また、最も理想的な超硬材料として、機械、地質、交通、建材、石油などの多くの従来の産業に広く適用され、生産効率を著しく向上させ、従来産業の世代交代を促進する。

【0003】

現在、ダイヤモンド微粉および製品は、自動車、機械、工具、電子、集積回路、携帯電話、航空、宇宙、光学機器、ガラス、セラミックス、石油、地質、サファイア、チップ、医学、電子情報通信などの分野に広く適用されている。

【0004】

ダイヤモンドは、地球上の埋蔵量が極めて少なく、地中の奥深くに存在し、採掘することが困難であるので、産業および科学技術の急速な発展の要求を満たすことができない。このため、多くの人的及び物的資源を費やし、ダイヤモンドを人工的に合成するための科学研究が行われ、その結果、ダイヤモンドを人工的に合成する２つの方法が発見された。１つ目は、高温高圧機械設備を使って、グラファイトを相転移により単結晶ダイヤモンドに変換する静圧法である。現在、この技術は、成熟しており普及しているが、この方法を利用する場合、設備にかかるコストが比較的に高く、原材料が複雑であり、生産された製品の粒度がｍｍオーダーである。

【0005】

２つ目は、爆薬の爆発により高圧高温条件を作り、グラファイトをμｓオーダーの時間内に粒度がμｍオーダーの多結晶ダイヤモンドに変換する衝撃合成法である。衝撃合成技術は、大型かつ高価の機械設備を必要とせず、新材料を合成するための新しい技術である。現在、米国のＤｕＰｏｎｔ社などの数少ない会社は、この技術を完全に把握し、量産を実現している。

【0006】

多結晶ダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンドと比べて、結晶構造と粒径だけでなく、性能にも多くの相違点がある。多結晶ダイヤモンドは、研削性能に優れ、航空、宇宙、ファインセラミックス、ＬＥＤチップ、サファイア基板などの高精度、高品質の技術分野に適用することができる。また、多結晶ダイヤモンドは、他の優れた性能を有し、国防、民生の分野に利用される見込みがある。

【0007】

ダイヤモンドおよびグラファイトは、炭素の同素体であり、ダイヤモンドを人工的に合成するには、グラファイトを合成用原料とすることを容易に想到できる。図１は、多元系状態図である炭素の圧力-温度状態図である。状態図は、グラファイト、ダイヤモンドが安定に存在する温度領域、圧力領域を示す。圧力が比較的に高いダイヤモンド安定領域において、グラファイト結晶構造が不安定であり、その自由エネルギーを低減するために、グラファイトがダイヤモンドに変換される。また、圧力が比較的に低いグラファイト安定領域において、ダイヤモンド多結晶構造が不安定であり、そのエネルギーを低減するために、多結晶ダイヤモンドがグラファイトに変換される。炭素のこのような多元系状態図から分かるように、爆発衝撃によりダイヤモンドを合成するには、少なくとも下記の要求を満たさなければならない。

【0008】

（１）グラファイトをダイヤモンドに変換するための特定の高温、高圧状態を作る適切な爆轟装置を開発する必要がある。

【0009】

（２）急速な爆轟から常温常圧になっても、高温、高圧下で存在するダイヤモンド相を保ち、黒鉛化を防止する必要がある。

【0010】

（３）爆発が制御し難いプロセスであるため、ダイヤモンドの回収に関する技術的課題を解決する必要がある。

【0011】

従来の技術的難点は、主に、衝撃による高圧で高純度の多結晶ダイヤモンドを合成するとともにダイヤモンドの変換率および回収率を向上させ、コストを最大限に削減して量産を実現することにある。

【発明の概要】

【0012】

本開示が解決しようとする技術的問題は、従来の爆轟によりダイヤモンドを合成するプロセスに変換率が低く、回収が困難である。本開示は、上記の問題を解決できる爆轟合成用二重管接続構造、爆轟合成装置およびその使用を提供する。

【0013】

本開示は、下記の技術案により実現される。

【0014】

爆轟合成用二重管接続構造は、駆動管と、サンプル管と、サンプル管の両端に設置される端栓とを備え、駆動管がサンプル管の外部に環装され、前記駆動管とサンプル管および端栓との間にキャビティが形成される。該爆轟合成用二重管接続構造は、固定アッセンブリをさらに備え、駆動管の頂部端口および底部端口のそれぞれに、固定アッセンブリが覆設される。爆薬が頂部で起爆されたあと、爆轟波が上から下へ順に伝播し、衝撃作用により、駆動管が上から下へサンプル管の軸線に向かって集まり摺動し、駆動管が上から下へ順にサンプル管の頂部端栓、サンプル管およびサンプル管の底部端栓の外側を被覆する。

【0015】

爆轟衝撃によるダイヤモンドの合成を例とする。爆轟衝撃によるダイヤモンドの合成は、グラファイトと銅粉との混合物に対して強い衝撃波を付与し、強い衝撃波による数千度の温度および数十万気圧の圧力の瞬時作用で、グラファイトをダイヤモンドに変換することである。この瞬時の激しい爆発が数十μｓ～数百μｓ内で完成するため、衝撃高圧合成は、コントロールし難く、サンプル管の端部の密封端栓が爆発により破裂しやすく、サンプルの飛散を招き、変換率が低く、回収の難易度が非常に高い。

【0016】

本開示に係るサンプル管と駆動管との二重管接続構造によれば、駆動管の端部において、集まり摺動および塑性変形が発生し、端栓をしっかりと被覆するので、サンプル管の端部の密封端栓の炸裂を効果的に防止することができ、変換率および回収率の向上に寄与できる。

【0017】

したがって、本開示に係る駆動管は、主に下記の２つの機能を実現することができる。（１）爆薬のエネルギーを吸収するためのものとして、サンプル管を衝撃するときエネルギーをサンプルに伝達して、グラファイトをダイヤモンドに変換するための高温高圧条件を作る。（２）爆発したあと、駆動管がキャビティで飛行して端栓及びサンプル管と高速衝突し、駆動管と端栓及びサンプル管との衝突圧力が、駆動管の材質のユゴニオ弾性限界を大きく超え、材料が塑性域に入り、集まり効果および塑性変形で、駆動管がサンプル管および両端の密封端栓をしっかりと被覆する。これによって、端栓の飛び出しを防止することができ、原料サンプルが完全にサンプル管内に密封される。この場合、駆動管、サンプル管および両端の密封端栓で、爆轟強化効果の作用により強度の高い複合管が形成され、ダイヤモンドサンプルを回収するための完全な容器として形成される。これによって、衝撃で２０ＧＰａ以上の圧力、数千度の高温に達するサンプルを完全に密封することができる。

【0018】

さらに、サンプル管の軸方向において、前記駆動管の内壁とサンプル管の外壁との間に等間隔で周方向のキャビティが形成される。本開示において、駆動管とサンプル管との間に障害物が設置されていなく、爆轟波の均一な伝播を保証できる。これによって、高温高圧合成条件を作ることができ、駆動管が集まり摺動および塑性変形し、サンプル管および端栓を外部でしっかりと被覆して、両端が封止された複合管を形成することができる。

【0019】

さらに、駆動管が被覆して接触する前記端栓の部位の外径がサンプル管の外径よりも小さい。

【0020】

好ましい案として、駆動管が被覆して接触する端栓の部位の外径をサンプル管の外径よりも小さくするように設置すれば、高圧爆轟生成物により、駆動管を、端栓の軸線に向かって集まり移動する場合、端栓の小径において収縮したあとの駆動管の口径がサンプル管において収縮したあとの駆動管の口径よりも小さいため、駆動管が端部口収縮構造として形成され、端栓に対する締付作用がさらに向上する。

【0021】

さらに、前記端栓は、テーパ構造からなり、テーパ構造の大径端がサンプル管と接続する。

【0022】

端栓をテーパ構造に設置すれば、駆動管の端栓に対する締付作用を向上させるとともに、爆轟波が平穏に下へ伝播することに寄与できる。

【0023】

さらに、起爆したあと、爆轟波が駆動管の端部と固定アッセンブリとの接続箇所まで伝播するとき、駆動管の端部と固定アッセンブリとの接続箇所での接続が解除され、固定アッセンブリが引張り波作用で外へ飛び出す。

【0024】

爆轟物理学から分かるように、空気において、柱状装薬の場合、一端の平面で起爆したとき、爆轟波の運動方向の反対方向に向かって伝播する質量（Ｍ２）およびエネルギー（Ｅ２）に対する爆轟波の運動方向に向かって伝播する質量（Ｍ１）およびエネルギー（Ｅ１）の比は、Ｍ１／Ｍ２＝４／５、Ｅ１／Ｅ２＝１６／１１である。装置の端部つまりサンプル管の頂端および底端において、高圧爆轟生成物が空中に分散するように膨張するとき、端口への引張り力（衝撃運動量）が生成され、それが十分大きくなったとき、サンプル管の端部の管口が破裂し、管内のサンプルの吐出、漏れが発生することがある。端部への引張りを回避するため、サンプル管および駆動管の両方の端部に固定アッセンブリが設置される。この場合、固定アッセンブリが運動エネルギーを受けると、外へ飛び出し、運動エネルギーを解放する。これによって、サンプル管の端部への引張りを回避でき、回収容器の端部の管口の破裂を効果的に防止することができ、サンプルを完全に回収する目的を達する。

【0025】

さらに、駆動管の頂部に取り付けられる固定アッセンブリは、固定リングと少なくとも１層のカバー板とを含み、前記固定リングの一端が駆動管の頂部と接続され、前記固定リングの他端がカバー板と接続され、前記カバー板がキャビティを密封するためのものであり、駆動管の底部に取り付けられる固定アッセンブリは、固定リングとベースとを含み、前記固定リングの一端が駆動管の底部と接続され、前記固定リングの他端がベースと接続され、前記ベースが固定および支持の役割を果たすものである。

【0026】

本開示に係るカバー板は、サンプル管、駆動管および固定リングを固定するとともに、サンプル管と駆動管との間のキャビティの頂部開口を密封してキャビティ内への爆薬の進入を防止するためのものである。ベースは、駆動管およびサンプル管を固定、支持するためのものである。

【0027】

さらに、前記駆動管の端部と固定リングの端部とが接合で接続されて同軸の筒体構造が形成される。

【0028】

本開示において、駆動管と固定リングとを接合することによれば、爆轟過程において固定リングがスムーズに飛び出し運動エネルギーを解放することを保証できるとともに、構造を最大に簡素化し、コストを削減することができる。

【0029】

さらに、前記駆動管の底部端面または頂部端面に、軸方向に沿って外へ延在する位置制限リングＩが設置され、対応する固定リングの端面に、軸方向に沿って外へ延在する位置制限リングＩＩが設置され、位置制限リングＩと位置制限リングＩＩとの環装により駆動管と固定リングとの接続を実現する。

【0030】

これによって、駆動管と固定リングとの間の接続構造を簡素化し、作製コストおよび装着コストの削減に有利である。また、高圧爆轟生成物の作用により駆動管の端部が集まり移動するとき、固定リングと駆動管との接続部位で抵抗が発生しないようになる。

【0031】

さらに、固定アッセンブリは、固定ブロックをさらに含み、前記固定ブロックが固定リング内に設置され、固定ブロックの一端が端栓と接続され、固定ブロックの他端がカバー板またはベースと接続される。

【0032】

サンプル管および駆動管の両方の端部に固定ブロックおよび固定リングを設置すれば、これらのブロックおよびリングが、運動エネルギーを受けたあと、外へ飛び出し、運動エネルギーを解放する。このように、回収容器の端部を効果的に保護することができ、サンプルに対する完全な回収に寄与できる。できるだけ多くの運動エネルギーを解放しサンプル管の端部を保護するために、固定リングおよび固定ブロックの重量を増加させ、例えば、金属リング構造または金属ブロック構造を採用する。

【0033】

本開示は、爆轟合成装置をさらに開示する。該爆轟合成装置は、ハウジングと、ハウジング内に設置される上記の爆轟合成用二重管接続構造を備え、ハウジングの内壁と駆動管の外壁との間のキャビティ内に主爆薬が充填され、前記駆動管およびサンプル管の両方の底端が固定アッセンブリにより支持盤に取り付けられ、前記支持盤がハウジングの底端を封止するためのものであり、ハウジングの頂端に起爆部品が設置される。

【0034】

本開示は、実際に柱面滑り爆轟二重管衝撃合成装置を提供する。装置の頂端で起爆したあと、爆轟波が形成され、爆轟波が安定な速度で駆動管の外壁に沿って上から下へ伝播する。爆轟波面の背後の高圧爆轟生成物の作用により、駆動管が、装置の軸線に向かって集まり摺動する。キャビティで飛行する過程において、爆薬と駆動管との界面で、圧縮波と希薄波との相互作用により、駆動管が爆薬から継続的にエネルギーを得て継続的に加速するため、駆動管が軸心に向かって集まる。集まり効果を有するため、その自由表面の速度もますます速くなる。駆動管がサンプル管に高速衝突したあと、サンプル内で安定的な爆轟衝撃波系が形成され、衝撃波が上から下へサンプル全体を通る。これによって、サンプルが均一に圧縮される。したがって、本開示によれば、変換率が非常に高く、９０％以上に達することができ、１００％の回収を実現することができる。

【0035】

さらに、前記起爆部品は、起爆薬と、雷管固定板と、雷管とを含み、前記起爆薬が主爆薬の頂層に敷設され、起爆薬に雷管固定板が設置され、雷管固定板に雷管が固定される。

【0036】

上記の爆轟合成用二重管接続構造または上記の爆轟合成装置が、低圧相材料を高圧相材料に変換することに使用され、または硬質材料を粉砕することに使用されることができ、前記高圧相材は、ダイヤモンドと、炭化物と、窒化物と、硼化物とを含む。

【0037】

本開示は、高強度複合管をさらに提供する。前記高強度複合管は、上記の爆轟合成用二重管接続構造または上記の爆轟合成装置による爆轟を利用して作製される。

【0038】

本開示は、高強度圧力容器をさらに提供する。前記高強度圧力容器は、上記の爆轟合成用二重管接続構造または上記の爆轟合成装置による爆轟を利用して作製される。

【0039】

本開示は、上記の高強度複合管または高強度圧力容器の製造方法をさらに提供する。上記の爆轟合成用二重管接続構造または上記の爆轟合成装置による爆轟を利用して前記高強度複合管または前記高強度圧力容器を作製する。

【0040】

爆発と衝撃作用により生成された高圧、高温、高ひずみ速度は、物質に作用する総合手段となり、幅広く応用される見込みがある。上記の装置は、ダイヤモンドの合成だけではなく、他の新材料の開発に広く利用される。例えば、ダイヤモンドよりも弱い硬度を持つウルツ鉱型窒化ホウ素およびスファレライト型窒化ホウ素の合成に利用されてもよく、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、Ｂ４ＣおよびＳｉＣなどの炭化物、硼化物および窒化物の構成セラミックスの合成に利用されてもよい。これらは、ハイテク企業が求める軽量でかつ耐高温の構成セラミックスである。また、通常粉砕しにくいダイヤモンドのような超硬材料の粉砕に使用されてもよく、これによって、さまざまな用途に適する。

【0041】

本開示は、下記の利点および有益な効果を有する。

【0042】

１．本開示に係るサンプル管と駆動管との接続構造によれば、駆動管の端部において、集まり摺動および塑性変形が発生し、端栓をしっかりと被覆するので、サンプル管の端部の密封端栓の炸裂を効果的に防止することができ、変換率および回収率の向上に寄与できる。したがって、本開示に係る駆動管は、主に下記の２つの機能を実現することができる。

【0043】

（１）爆薬のエネルギーを吸収するためのものとして、サンプル管を衝撃するときエネルギーをサンプルに伝達して、グラファイトをダイヤモンドに変換するための高温高圧条件を作る。（２）爆発したあと、駆動管がキャビティで飛行して端栓及びサンプル管と高速衝突し、駆動管と端栓及びサンプル管との衝突圧力が、駆動管の材質のユゴニオ弾性限界を大きく超え、材料が塑性域に入り、集まり効果および塑性変形で、駆動管がサンプル管および両端の密封端栓をしっかりと被覆する。これによって、端栓の飛び出しを防止することができ、原料サンプルが完全にサンプル管内に密封され、原料サンプルの完全反応を促進することができる。この場合、駆動管、サンプル管および両端の密封端栓で、爆轟強化効果の作用により強度の高い複合管が形成され、ダイヤモンドサンプルを回収するための容器として形成される。これによって、衝撃で２０ＧＰａ以上の圧力、数千度の高温に達するサンプルを完全に密封することができる。

【0044】

２．本開示の設置によれば、運動エネルギーを解放し、サンプル管の端部の破裂防止に寄与できる。装置の端部において、高圧爆轟生成物が空中に分散するように膨張するとき、端口への引張り力（衝撃運動量）が生成され、それが十分大きくなったとき、サンプル管の端部の管口が破裂し、管内のサンプルの吐出、漏れが発生することがある。端部への引張りを回避するため、サンプル管および駆動管の両方の頂端および／または底端に固定リングおよび固定ブロックが設置される。この場合、固定リングおよび固定ブロックが運動エネルギーを受けると、外へ飛び出し、運動エネルギーを解放する。これによって、サンプル管の端部への引張りを回避でき、回収容器の端部の破裂を効果的に防止することができ、サンプルを完全に回収する目的を達する。

【0045】

３．本開示に係る固定リングおよび固定ブロックの設置によれば、サンプル管まで伝達する爆轟波の安定的な伝播に寄与できる。爆薬が起爆したばかりのとき、不安定から安定になるまでの爆轟状態が存在するので、頂端に固定ブロックおよび固定リングを適切な高さで設置すれば、爆薬による不安定な爆轟を回避できる効果を得られる。

【0046】

爆轟衝撃によるダイヤモンドの合成は、グラファイトと銅粉との混合物に対して強い衝撃波を付与し、強い衝撃波による数千度の温度および数十万気圧の圧力の瞬時作用で、グラファイトをダイヤモンドに変換することである。銅粉を焼入れ材として使用することで、高温高圧下で安定に存在するダイヤモンド相を低温低圧下で保存できるようになる。本開示は、この瞬時の激しい爆発を利用者の要求に応じてコントロール可能、調整可能にするものである。

【0047】

本開示は、技術的封鎖を破って、多結晶ダイヤモンドの量産を実現することにとって重要である。新材料の爆発合成または衝撃波合成は、材料研究において重要な新しい技術であり、この新しい技術が、幅広く応用される見込みがある。発明者らは、長年の爆轟衝撃波に関する研究を行って、深い理論的知識と豊富な実験の積み重ねにより、衝撃によるグラファイトからダイヤモンドへの相転移のメカニズムの固有法則を把握し、この装置を発明した。本開示に係る装置は、グラファイトからダイヤモンドへの変換のための高温高圧条件を作り、本装置内でサンプルグラファイトを均一に圧縮して高純度多結晶ダイヤモンドに変換することができる。変換率が顕著に向上し９０％以上に達することができ、変換により得た生成物である高純度多結晶ダイヤモンドを完全に回収することができる。本開示に係る装置は、ダイヤモンドを１００％回収することができ、量産を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0048】

ここで説明する図面は、本開示の一部として、本開示の実施例をさらに理解させるためのものにすぎず、本開示の実施例を限定するものではない。

【図1】炭素の圧力－温度状態図であり、図１において、実線は、グラファイト－ダイヤモンド相平衡線を示し、一点鎖線は、ダイヤモンド融解曲線を示し、点線は、グラファイト融解曲線を示す。

【図2】本開示に係る爆轟合成装置の模式的構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0049】

本開示の目的、技術案および利点をより明瞭にするため、以下、実施例および図面を参照しがら、本開示に対してさらに詳細に説明する。本開示の例示的な実施形態およびその説明は、本開示を解釈するためのものにすぎず、本開示を限定するものではない。

【0050】

実施例１
本実施例は、爆轟合成用二重管接続構造を提供する。該爆轟合成用二重管接続構造は、駆動管４とサンプル管２とを備える。駆動管４およびサンプル管２は、いずれも円形管構造からなる。駆動管４は、サンプル管２の外部に同軸に環装され、駆動管４の内壁とサンプル管２の外壁との間の周方向隙間がキャビティ３として形成される。サンプル管２の頂部端口と底部端口のそれぞれに密封端栓７が設置され、サンプル管２の頂部端口および底部端口が、いずれも駆動管４内に位置する。該爆轟合成用二重管接続構造は、固定アッセンブリをさらに備え、駆動管４の頂部端口および底部端口のそれぞれに、キャビティ３内への主爆薬の進入を防止できる固定アッセンブリが覆設される。起爆したあと、爆轟波が上から下へ順に伝播し、衝撃作用により、駆動管４は、上から下へサンプル管２の軸線に向かって集まり摺動（変形）し、上から下へ順にサンプル管２の頂部端栓７、サンプル管２およびサンプル管２の底部端栓７の外側を被覆するようになる。これによって、完全な回収容器としての複合管が形成される。

【0051】

実施例２
実施例２は、実施例１をもとにさらなる改良を行ってなるものである。駆動管４が被覆して接触する前記端栓７の部位の外径がサンプル管２の外径よりも小さい。さらに好ましくは、端栓７は、円錐台構造からなり、円錐台構造の大径端がサンプル管２の端口内に挿入され、円錐台構造の小径端が固定アッセンブリと接続される。

【0052】

実施例３
実施例３は、実施例１または実施例２をもとにさらなる改良を行ってなるものである。前記固定アッセンブリは、起爆したあと、爆轟波が駆動管４の端部と固定アッセンブリとの接続箇所まで伝播するとき、駆動管４の端部と固定アッセンブリとの接続箇所での接続が解除され、固定アッセンブリが運動量を受け外へ飛び出し、駆動管４の端部がサンプル管２の軸線に向かって集まり摺動して端栓７を被覆するように構成される。好ましくは、駆動管４の頂部に取り付けられる固定アッセンブリは、固定リング９と２層のカバー板１０とを含む。固定リング９は、その一端が駆動管４の頂部と接続され、その他端がカバー板１０と接続される。カバー板１０は、キャビティ３を密封するためのものであり、その下面に環状溝が設けられ、前記固定リング９の端部が環状溝内に嵌入されて固定されることが可能である。駆動管４の底部に取り付けられる固定アッセンブリは、固定リング９とベース１１とを含む。固定リング９は、その一端が駆動管４の底部と接続され、その他端がベース１１と接続される。ベース１１は、支持の役割を果たすものである。

【0053】

駆動管４と固定リング９との接続を実現する構造は、下記の通りである。駆動管４の端部と固定リング９の端部とが接合で接続されて同軸の筒体構造が形成される。具体的に、駆動管４の頂部と固定アッセンブリとを接続する構造は、駆動管４の端面の内側において軸方向に沿って外へ延在する位置制限内側リングが設置され、固定リング９の端面の外側において軸方向に沿って外へ延在する位置制限外側リングが設置され、位置制限外側リングが位置制限内側リングの外部に環装され、位置制限内側リングの端面が固定リング９の端面と当接し、位置制限外側リングの端面が駆動管４の端面と当接するようになる。駆動管４の底部と固定アッセンブリとを接続する構造は、駆動管４の端面の外側において軸方向に沿って外へ延在する位置制限外側リングが設置され、固定リング９の端面の内側において軸方向に沿って外へ延在する位置制限内側リングが設置され、位置制限外側リングが位置制限内側リングの外部に環装され、位置制限内側リングの端面が駆動管４の端面と当接し、位置制限外側リングの端面が固定リング９の端面と当接するようになる。

【0054】

さらに好ましくは、図２に示すように、固定ブロック８をさらに含み、固定ブロック８が固定リング９の内側に位置し、固定ブロック８の一端が端栓７と接続され、固定ブロック８の他端がカバー板１０と接続される。固定ブロック８および固定リング９は、いずれも金属製のものである。

【0055】

実施例４
本実施例は、爆轟合成装置を提供する。該爆轟合成装置は、ハウジング１３を備え、実施例３による爆轟合成用二重管接続構造が、ハウジング１３内に取り付けられ、ハウジング１３の内壁と駆動管４の外壁との間のキャビティ内に主爆薬が充填される。サンプル管２および駆動管４の両方の頂部に設置される固定アッセンブリは、固定リング９、固定ブロック８およびカバー板１０によって構成され、サンプル管２および駆動管４の両方の底部に設置される固定アッセンブリは、固定リング９、固定ブロック８およびベース１１によって構成され、ベース１１が、固定サンプル管２、駆動管４、固定ブロック８および固定リング９を固定するためのものである。駆動管４およびサンプル管２の両方の底部が固定アッセンブリにより木製支持盤１２に取り付けられ、木製支持盤１２がハウジング１３の底端を封止するためのものであり、ハウジング１３の頂端に起爆部品が設置される。

【0056】

実施例５
実施例５は、実施例４をもとにさらなる改良を行ってなるものである。前記起爆部品は、起爆薬６と、雷管固定板１４と、雷管１５とを含む。前記起爆薬６は、主爆薬５の頂層に敷設され、起爆薬の層の底面が固定アッセンブリの頂部と接続され、起爆薬の層の頂面が雷管固定板１４の下面と接触する。雷管固定板１４に雷管１５が設置される。爆薬は、合成装置のエネルギー源であり、本実施例の装置の場合、爆薬の使用量が２６０ＫＧである。主爆薬がハウジング１３と駆動管４との間の隙間に入れられる。また、ＲＤＸ高性能起爆薬が１ｃｍ～３ｃｍの厚さで頂部平面にわたって敷設される。雷管１５が雷管位置決め板１４に挿入される。

【0057】

実施例５の装置を利用して多結晶ダイヤモンドを合成する。その合成原理が以下のとおりである。

【0058】

１．グラファイトをダイヤモンドに変換することができ且つ変換率が高い特定の高温、高圧状態を作ることができる。

【0059】

本実施例は、柱面摺動（変形）爆轟二重管衝撃合成装置を提供する。装置の頂端で爆薬を起爆したあと、爆薬内で爆轟波が形成され、爆轟波が安定な速度で駆動管の外壁に沿って上から下へ伝播する。爆轟波面の背後の高圧爆轟生成物の作用により、駆動管が、装置の軸線に向かって集まり摺動する。キャビティで飛行する過程において、爆薬と駆動管の界面で、圧縮波と希薄波との相互作用により、駆動管が爆薬から継続的にエネルギーを得て継続的に加速するため、駆動管が軸心に向かって集まる。集まり効果を有するため、その自由表面速度もますます速くなる。駆動管がサンプル管に高速衝突したあと、サンプル管内で衝撃波が生成され、安定的な爆轟衝撃系が形成され、衝撃波が上から下へサンプル全体を通る。これによって、サンプルが均一に圧縮される。したがって、変換率は、非常に高く、９０％以上に達することができる。

【0060】

２、黒鉛化を防止可能
衝撃圧縮に伴い、圧力の解放が行われる。解放過程において、ダイヤモンドからグラファイトへの逆相転移をできるだけ低減するため、サンプルに熱伝導性の優れた金属粉末（例えば、銅粉）を加入することで衝撃焼入れを実現することを利用する。グラファイトと金属粉末との混合比を適宜設定すれば、この要求を満たすことができる。

【0061】

３、回収率が高い
駆動管とサンプル管との衝突圧力は、駆動管の材質のユゴニオ弾性限界を大きく超えるので、材料が塑性域に入り、集まり効果および塑性変形で、駆動管がサンプル管および両端の密封栓をしっかりと被覆する。これによって、駆動管、サンプル管及び両端の密封栓により爆轟作用で強度の高い複合管が形成され、生成したダイヤモンドの回収容器として形成される。また、装置の端部において、高圧爆轟生成物が空中に分散するように膨張するとき、端口への引張り力（衝撃運動量）が生成され、それが十分大きくなったとき、サンプル管の管口が破裂し、管内のサンプルの吐出、漏れが発生することがある。サンプル管の端部への引張りを回避するため、サンプル管および駆動管の両方の端部に固定ブロックおよび固定リングが設置される。これにより、回収容器の端部を爆発による破壊から保護することができる。ダイヤモンドの回収率が１００％に達することができる。

【0062】

爆轟衝撃によりダイヤモンドを合成したあと、複合管である回収容器からサンプル（すなわち、ダイヤモンド、グラファイト及び銅粉の混合物）を取り出し、選択に酸の酸化処理を施してサンプルにおけるダイヤモンドを分離させ、そして、ダイヤモンドに対する篩分けや分級などの後続の精製プロセスを実行する。

【0063】

上記のように、本開示に係る爆轟装置は、グラファイトからダイヤモンドへの変換のための高温高圧条件を作り、サンプルグラファイトを本装置内で均一に圧縮して高純度多結晶ダイヤモンドに変換することができる。本発明の変換率が、顕著に上げられ、９０％以上に達することができる。また、変換により得た生成物である高純度多結晶ダイヤモンドを完全に回収することができ、回収率が１００％に達することができる。

【0064】

発明者らは、該装置を利用して高純度ナノ構造多結晶ダイヤモンドの合成を実現し、変換率が９０％以上に達し、変換により得た生成物である高純度ナノ構造多結晶ダイヤモンドが１００％回収される。その粒度が０～３２μｍで正規分布に従うものであり、量産を実現することができる。

【0065】

上記説明された具体的な実施形態は、本開示の目的、技術案および有益な効果をさらに詳細に説明した。なお、上記記載は、本開示の具体的な実施形態にすぎず、本開示の保護範囲を限定するものではない。本開示の本質および主旨から逸脱しない限り、すべての変更、均等置換、改良などは、いずれも本開示の保護範囲内に属する。

【符号の説明】

【0066】

１ サンプル
２ サンプル管
３ キャビティ
４ 駆動管
５ 主爆薬
６ 起爆薬
７ 端栓
８ 固定ブロック
９ 固定リング
１０ カバー板
１１ ベース
１２ 木製支持盤
１３ ハウジング
１４ 雷管位置決め板
１５ 雷管

【図1】

【図2】