超硬材料網(wǎng)

摘要：文中敘述的“爆炸多晶金剛石”是特指沖擊波通過石墨粉體使之相變的多晶金剛石。文中展示出這種晶體結(jié)構(gòu)的形態(tài)和特異點。敘述了兩種“擊波聚晶”的爆炸裝置：圓管收縮爆炸裝置和平面打擊爆炸裝置。指出計算壓力和溫度力學(xué)模型的重要性，計算壓力的“均相分布”理論不被實驗所證實。粉體中的金屬粉既起打擊板的作用，又起降低卸載溫度的冷卻作用。提出作者的對提高飛片打擊速度有實效的有關(guān)專利。作者發(fā)現(xiàn)在常壓下爆炸時的飛片下氣體受絕熱壓縮后的聚能效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：飛片打擊；擊波聚晶；多晶金剛石；

Abstract: “The explosive polycrystalline diamond”narrated in this paper is to refer in particular to the polycrystalline diamond which is phase-transformed from graphite under the action of strong shock wave through graphite powder setup. Showing its morphological characteristics and distinguishing feature. Recounting the two explosive unit for making polycrys talline by shock wave: the explosive shrinkage unit of cylindrical tube and the explosive unit of planar shocking. Pointing out the importance of model to calculate pressure and temperature. The “theory of homogeneous phase distribution”for calculating pressure is not verified by experiments. The metal powder  in powder setup is taken both effect of striker to highten the stress and cooler for to reduce the temperature after stress discharge. Advancing the effective patent of author concerned to raise the velocity of flying plate. Author has discovered the accumulating effect of air subjected adiabatic compression which is under the flying plate at atmospherical pressure.

Keywords：Shocking of flying plate; polycrystalline by shock wave; polycrystalline diamond;

       炸藥爆炸推動飛片高速飛行，打擊石墨粉體，在粉體內(nèi)產(chǎn)生強沖擊波，一般飛片在2800-3700m/s之間時，能產(chǎn)生4×104～7.5×104MPa的壓力，擊波通過時，粉體顆粒會產(chǎn)生強烈流動、壓縮，磨擦，使粉末從原始比容比值V00/V0>1變小到V/V0<1，同時產(chǎn)生高溫，當(dāng)P>5×104MPa時，溫度T≥2100K，此時石墨結(jié)構(gòu)中的原子會自動從石墨勢阱進入金剛石勢阱，發(fā)生相變。從熱力學(xué)理論來說，相變過程是自動進行的不可逆過程，設(shè)G—吉布斯自由能，在等溫等壓下，唯有使系統(tǒng)自由能G減少的過程才能自動進行的不可逆過程，在等溫下，自由能表達式是：

                                    ( 1 )

石墨與金剛石的沖擊絕熱曲線皆可用馬納漢方程式形式表示

                                       ( 2 )

顯然，(1)式有

                    ( 3 )

       石墨的n=1.22, A=5.27×104 MPa, V0=0.45455cm³/g, 金剛石的n=2.5, A=21.7×104 MPa,  V0=0.2857cm³。按(3)式，當(dāng)處于(p1,T0)狀態(tài)下,由1克石墨變?yōu)?克金剛石所降低的吉布斯自由能是    

 ( 3 )

若pmax = p1 = 7.59236×104MPa，T0 = 2120.3k，p0 = 6.913×104MPa，代入計算得

這證明吉布斯自由能確實是下降的，∴一定是自動進行的不可逆過程。

       擊波產(chǎn)生的相變時間極短，不到0.1µs時間就完成了，幾乎是瞬態(tài)的。在一定的擊波壓力和溫度下，系統(tǒng)中產(chǎn)生的金剛石晶核有一個臨界半徑rk存在，即在時，系統(tǒng)自由能有極值，在r < rk時，自由能增加，相變過程終止；r > rk時，自由能減少，晶核長大。∵自由能變化由二部分組成，一部分是石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸瘯r，自由能自然下降，另一部分是表面能，晶核變小，系統(tǒng)表面能越大。設(shè)有n個半徑為r的新相金剛石球體，金剛石單位面積固體表面能，體系自由能變化值，則

                    (4 )

從求極值，得到臨界半徑，將其代入到(4)式，得到體系達極值時的吉布斯自由能值

               (5)

        p-p0=1000 MPa時，即壓力處在相平衡線稍上方時，其值要比后二個大102倍還多，這個能量要從系統(tǒng)能量“起伏”來提供，越大，成核機率越小，在相平衡線附近，成核不易進行，在靜壓法中，為改善成核條件，要用觸媒，不靠成核，靠生長。

 二)晶體的結(jié)構(gòu)形態(tài)和特點 

       是一種Carbonado型的多晶金剛石，Carbonado就是天然多晶金剛石，只產(chǎn)于巴西的Macos河谷與中非共和國二地，極稀少，非常名貴。有三種有關(guān)其粒度的名稱與概念：一次顆粒，一次聚晶顆粒，聚合聚晶顆粒[ 3 ]

       用X衍射小角度散射法測出來的粒度就是一次顆粒粒度，它就是在百萬倍TEM下看到的小球狀顆粒 (圖2)；在10萬倍左右的AFM和SEM下看到的顆粒就是一次聚晶顆粒，而其中眾多小顆粒結(jié)合的大“葡萄串”就是聚合聚晶顆粒(圖1及3);在3000-10000倍的SEM下看到的形狀各異的顆粒就是葡萄串的低倍外形(圖4)。聚合聚晶顆粒粒度就是商業(yè)粒度。

       要特別指出，這種Carbonado型多晶金剛石與貧氧炸藥TNT爆轟所得的爆轟金剛石是完全不同類型的金剛石。

三) 研究和生產(chǎn)爆炸多晶金剛石的有關(guān)理論體系[ 2 ]

在沖擊波合成多晶金剛石的理論體系中，從爆炸力學(xué)角度來說，有4大命題：

1) 如何實現(xiàn)高速飛片(飛管)打擊及飛片(飛管)打擊理論。

      2) 擊波通過粉體時，如何建立計算壓力和溫度的力學(xué)和物理模型

      3)建立金剛石轉(zhuǎn)化的壓力—溫度—逆變溫度(P—T—T*)參數(shù)窗口，找到最佳值。

      4)全面創(chuàng)新獨具匠心、高智慧完整的工藝技術(shù)去實現(xiàn)理論要求。

圖1  SEM照片                            圖2   TEM照片

圖3    AFM照片

圖4  SEM照片 ×5000

兩種打擊方式：圓管收縮打擊裝置與平面飛片打擊裝置:                                                            

圓管收縮打擊裝置

平面飛片打擊裝置

       1971年美國杜邦公司的Anthony S .Balchan等三人提出爆炸金剛石的第一個專利[7]就是采用圓管收縮打擊裝置的，后來發(fā)展到一炮炸藥達到1噸多;  平面飛片打擊采用的每炮炸藥最多僅為10公斤，相對每炮能合成的金剛石量較少。但仍有各自優(yōu)缺點。

四) 壓力計算模型[ 2 ]

       粉末體多是石墨粉與金屬粉的混合體，金屬粉多用鐵、銅與鈷，一般多采用鐵與銅粉，價格便宜，易于操作。但擊波通過后的混合粉體的流動屬二相流，如何在二相流動中建立壓力模型是個很復(fù)雜的問題。“均相分布理論”[4]視石墨與金屬粉的粒度為無限小，混一起成為一個均勻相，根據(jù)此假定，可推出這種均勻相的莫乃漢狀態(tài)方程式來，例如銅/石墨=90/10混合粉的狀態(tài)方程是：

                          MPa                ( 6 )

       且有,V0=0.14624 cm3/g , 用“均相分布理論”去計算壓力，作者曾長時期使用，但后來發(fā)現(xiàn)此理論不被實驗所證實,被引入誤區(qū)。舉例來說，將初裝密度為75％的90/10粉末，即粉末的V₀₀/V₀=1/0.75=1.333333,用速度V_p=3355m/s飛片去打擊此粉末，粉末中的壓力可用三個式子來解出：

              ( 7 )

其中是鐵的沖擊常數(shù),解上三式，求得：

       從而可按相應(yīng)理論依次求出90/10粉受沖擊后的沖擊能量E₁=2365.283J/g冷內(nèi)能E_k=488.693J/g 熱內(nèi)能,及按德拜理論求出溫度再按卸載理論中的公式：

         ( 8 )

其中

計算(8)式，求得 ,最后按卸載溫度公式求出卸載溫度：

 (1691.1℃)        ( 9 )

       在真空中，700-800℃時金剛石表面開始石墨化; 在惰性氣體中，超過1700℃時，整個晶體會迅速石墨化[ 5 ]; 現(xiàn)在常壓下溫度近1700℃，按理應(yīng)幾乎是全石墨化了，可實驗證實，沒有任何逆變。實際上，金屬粉的作用有二：既起打擊板的作用，又起冷卻作用。“均相分布理論”沒有反映這個客觀本質(zhì)，因而不被實驗所證實[2]。

五) 其它幾個命題

       在常壓下爆炸時，飛片是在常壓空氣空間中飛行的，過去幾乎所有爆炸力學(xué)專家都認(rèn)為：隨著飛片飛行，飛片下的空氣會向四周排出，因飛片飛行四周無任何阻擋。作者在近10年的實驗中發(fā)現(xiàn)在高速飛行(>3000m/s)的平面飛片下的氣體很難向四周排出，而經(jīng)過絕熱壓縮后，有巨大的聚能效應(yīng)，該氣流能將粉盒在Φ150mm處厚度10mm的邊緣整圈切去，切口光滑; 因篇幅所限，不在此處作過多敘述[2]。詳細(xì)內(nèi)容將在“爆炸與沖擊”雜志上發(fā)表。

       后處理工藝一般都采用“回收→去雜質(zhì)→去金屬→去殘留石墨→去含硅雜質(zhì)”的程序，一般細(xì)心操作，都不會出大的問題，但如果在某些環(huán)節(jié)上技術(shù)發(fā)生錯誤，最后會出現(xiàn)“籠形石墨”，如KC8 ,KC9, KC10, KC16 ,KC24, K3C60,俗稱鉀石墨，且不能用一般氧化方法去掉，從而對金剛石的提純造成巨大麻煩。

       這種多(聚)晶金剛石各向同性，無解理面，不會發(fā)生從解理面脆斷所導(dǎo)致劃傷的缺點，保證淺的損傷層；且在磨削拋光中會適時剝落而顯現(xiàn)新的微觀刃口的“自銳性”。

 參考文獻

[1] 邵丙璜  汪金通.  強擊波作用下石墨轉(zhuǎn)化金剛石的相變動力學(xué). 中國科學(xué)院力學(xué)研究所內(nèi)部資料: 1977.

[2] 張凱. 爆炸多晶金剛石的理論與技術(shù)創(chuàng)新-2008 [專著].待出版.

[3] 張凱 張路青. 一種Carbonado型結(jié)構(gòu)的爆炸納米多晶金剛石. 材料導(dǎo)報，第23卷5月專輯ⅩⅢ，2009。

[4] 邵丙璜  汪金通. 平面飛片作用下石墨相變?yōu)榻饎偸臒崃W(xué)參量計算. 中國科學(xué)院力學(xué)所內(nèi)部資料:   1977.

[5] 林克英. 超細(xì)金剛石微粉的提純及分級工藝研究. 中國地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2006.

[6] D.G.Morris, An investigation of the shock induced transformation of graphite to diamond [J]. appl. Phys: 51(4) ,april,1980.

[7] Anthony S. Balchan; George R. Cowan; both of  Woodbury  N . J ; Method ot explosively shocking solid materials; U. S. patent 3608014, June, 28, 1968.