Синтез особо твердых материалов

Технология и теплофизический аппарат сверхвысоких давлений с пироприводом для синтеза особо твёрдых материалов, синтезируемых при высоких давлениях и умеренных температурах

Дальнейшее совершенствование оборонной и ракетно-космической техники, отраслей народно-хозяйственного комплекса,  в том числе ракетных и авиационных двигателей, электроники и радиотехники немыслимо без применения сверхпрочных и особотвердых материалов: термокерамики, искусственных (синтетических) алмазов, металлического водорода и др.

Получение металлического водорода соизмеримо с научно-технической революцией, ибо позволит совершить качественный скачок в энергетике двигателей ракетно-космической и авиационной техники. Принципиально новое качество (в части упрощения) приобретают эксплуатационные характеристики этого уникального вещества.

Синтетический алмаз (СА) получил широкое применение в промышленности.

Основная продукция проекта – компактная энергоустановка сверхвысоких давлений и синтетический алмаз. Предлагаемая новая технология получения сверхвысоких давлений и  энергоустановка позволяет использовать одновременно преимущества и статического, и динамического методов: действие статического сжимающего усилия на АВД силового элемента в течение длительного времени (несколько часов) и применение в качестве энергии быстрогорящего вещества не бризантного действия (например, пороха). Это позволяет получить и крупные качественные кристаллы на достаточно  малогабаритной установке, которую можно эксплуатировать в обычном заводском помещении ограниченной площади.

Новая предлагаемая технология получения сверхвысоких давлений статическим способом и энергоустановка сверхвысоких давлений отличаются высокой технической и экономической эффективностью. Это обусловлено применением оригинального компактного пиропривода в сочетании с механизмом, обеспечивающим автоматическое поддержание необходимого давления при синтезе алмазов и других особотвердых материалов после срабатывания пиропривода. Требуемое давление при синтезе может поддерживаться достаточно продолжительное время до 3-х час. за счет эффекта самоторможения механизма мультипликатора давления оригинальной конструкции, что необходимо для получения искусственных алмазов крупных размеров. Предлагаемые технология и конструкция энергоустановки сверхвысоких давлений позволяют в перспективе получить уровень давлений порядка 50...100 ГПа. Характерная особенность этой технологии — с увеличением давления в аккумуляторе высокого давления габаритные характеристики энергоустановки (800x500x500 мм)  изменяются незначительно.

Проектирование, изготовление, опытная проверка, отработка и дальнейшее промышленное внедрение энергоустановки сверхвысоких давлений могут быть проведены на многих предприятиях.

При этом возможно использование научного и инженерно-технического потенциала ряда важнейших отраслей оборонного комплекса, сырьевой, производственной и испытательной базы, а также имеющегося в стране мощного задела по производству твердых ракетных топлив, графита, газогенерирующих систем. При выборе твердых ракетных топлив, газогенерирующих устройств, графита для промышленных энергоустановок сверхвысоких давлений можно использование принципа утилизации ракетно-космической техники.

Энергоустановка сверхвысокого давления включает в себя следующие основные системы:

• газогенерирующее устройство (ГГУ) на твердом ракетном топливе,
• гидродинамический силовозбудитель,
• мультипликатор давления с самотормозящим механизмом оригинальной конструкции,
• аппарат высокого давления  (АВД) с реакционной камерой и технологической шихтой,
• система управления процессом при функционировании энергоустановки сверхвысоких давлений,
• система измерения параметров и характеристик энергоустановки сверхвысоких давлений,
•  система охлаждения АВД,
• устройство для разблокирования механизма самоторможения,
• базовая конструкция.
• эксплуатационная документация,
• запасное имущество и принадлежности.

В АВД необходимый уровень давления достигается за счет функционирования силовозбудителя, газогенерирующего устройства на твердом ракетном топливе и мультипликатора давления. При этом силовозбудитель и газогенерирующее устройство на твердом ракетном топливе функционирует только до момента получения заданного давления в АВД. В дальнейшем процесс поддерживается в автоматическом режиме без затраты энергии за счёт эффекта самоторможения мультипликатора давления.

Давление в ГГУ может составлять от 50 до 2000 МПа, время работы до З с. За счет преобразования энергии осуществляемое в мультипликаторе давления, давление в АВД может составлять свыше.10000 МПа.

В процессе синтеза СА шихта в АВД  уменьшается в объеме, дает усадку, уменьшается и линейный размер в осевом направлении. Сжатый в пределах упругой деформации, как жесткая пружина, стальной шток  начинает удлиняться, отдает накопленную потенциальную энергий на работу по сжатию АВД и тем самым компенсирует его линейную усадку при переходе шихты из одного состояния в другое. Сила сжатия на АВД будет в этом случав несколько снижаться, но должна оставаться достаточной для продолжения процесса синтеза СА. Это позволяет проводить весь процесс под высоким и стабильным по величине давлением.

Новая установка и технология обладают приоритетом НОУ-ХАУ.

Синтетический алмаз находит широкое использование как в России, так и в странах ближнего и дальнего зарубежья. Основными потенциальными потребителями установки сверхвысоких давлений являются, прежде всего предприятия оборонного и ракетно-космического комплекса Российской Федерации. Синтез искусственного алмаза осуществляется при давлении 10000 МПа и температуре 1300–3300 К. Для снижения давления и температуры синтеза алмаза можно использовать раз­личные технологические добавки к графиту – железо, никель и их сплавы. Подобные добавки способствуют разрушению или деформации кристаллической решётки графита, либо уменьшают энергию, потребную для её перестройки, могут оказывать каталитическое действие. Процесс объясняется также растворением графита в растворе металла или образованием неустойчивых соединений с углеродом. Углерод кристаллизуется в виде алмаза, выделяясь из раствора или при распаде соединений.

Из алмазов изготавливают подшипники для высокоточных устройств, резцы, шлифовальные круги, головки, а также карандаши и ролики, применяемые для упрочнения поверхности деталей, снижения ее шероховатости и нанесения рельефа на поверхность.

Массовое производство СА и других особо твердых инструментальных материалов позволит сделать качественный скачек в инструментальном производстве, что обуславливает возникновение новой мошной отрасли промышленности -производство сверхтвердых материалов и инструментов.

Выгоду алмазной технологии почувствуют не только на металлообрабатывающих предприятиях, но и там, где эксплуатируются детали, сделанные по-новому. Например, внедрение поршневых колец, наружная поверхность которых обработана алмазом, позволит резко сократить расход масла и тем самым получить значительный экономический эффект. Внедрение высокотвердых материалов может повлечь за собой целую цепочку технических, экономических и социальных последствий; удастся улучшить использование материалов, поскольку новая технология будет более экономична, сократить брак и потери металла. Так буровое долото из композиционных материалов на основе СА заменяет 30-40 шарошечных агрегатов. Резко, в ряде случаев, повышается производительность труда. Можно ожидать улучшения санитарно-гигиенических условий труда при бурении нефтяных и газовых скважин большой глубины.

Применение алмазов в металлообрабатывающей промышленности позволит создать более качественные образцы ракетно-космической техники военного и космического назначения.

Задачи, поставленные в рамках проекта:

• Создание технологического процесса и соответствующего оборудования, позволяющего уменьшить энерго- и материалозатрат, обеспечивающим автоматическое поддержание необходимого давления при синтезе алмазов и других особо твердых материалов.
• Получение патентной защиты технологии и конструкции в странах - конкурентах.

Разработка способа получения сверхвысоких давлений и оборудования на уровне изобретений будет решена силами сотрудников МГУПИ, которые имеют многолетний успешный опыт разработки, патентования и внедрения  техники в данной области (разработки и их внедрение отмечены на правительственном уровне в 2001-2009 гг.).

Инновационный характер проекта заключается в направлении средств на НИОКР с выходом на внедрение технологии для высокоэффективного производства, конкурентоспособность которого будет подтверждена патентами, повышение основной конструктивной характеристики продукции и снижение издержек по трудоёмкости, энергоёмкости и материалоёмкости в направлении средств на приобретение модернизированного в процессе проекта основного технологического оборудования.