Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид»

Settlement methods define increase possibility growth volume of cells for single diamond crystals growing in toroid type high pressure equipment. It is shown that at volume increase of the growth cell on 25 % limiting values of temperature in characteristic points do not exceed the maximum values...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Шевчук, С.Н., Гаран, А.Н., Ивахненко, С.А., Заневский, О.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2010
Назва видання:	Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Теми:	Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23441
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид» / С.Н. Шевчук, А.Н. Гаран, С.А. Ивахненко, О.А. Заневский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 307-311. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-23441
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-234412025-06-03T16:04:47Z Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид» Шевчук, С.Н. Гаран, А.Н. Ивахненко, С.А. Заневский, О.А. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Settlement methods define increase possibility growth volume of cells for single diamond crystals growing in toroid type high pressure equipment. It is shown that at volume increase of the growth cell on 25 % limiting values of temperature in characteristic points do not exceed the maximum values for this type equipment. It is shown that at growing of the big size samples the temperature distribution in growth volume corresponds to requirements for growing of structurally perfect single diamond crystals. 2010 Article Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид» / С.Н. Шевчук, А.Н. Гаран, С.А. Ивахненко, О.А. Заневский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 307-311. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23441 539.89:66.083 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора
spellingShingle	Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Шевчук, С.Н. Гаран, А.Н. Ивахненко, С.А. Заневский, О.А. Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид» Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
description	Settlement methods define increase possibility growth volume of cells for single diamond crystals growing in toroid type high pressure equipment. It is shown that at volume increase of the growth cell on 25 % limiting values of temperature in characteristic points do not exceed the maximum values for this type equipment. It is shown that at growing of the big size samples the temperature distribution in growth volume corresponds to requirements for growing of structurally perfect single diamond crystals.
format	Article
author	Шевчук, С.Н. Гаран, А.Н. Ивахненко, С.А. Заневский, О.А.
author_facet	Шевчук, С.Н. Гаран, А.Н. Ивахненко, С.А. Заневский, О.А.
author_sort	Шевчук, С.Н.
title	Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид»
title_short	Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид»
title_full	Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид»
title_fullStr	Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид»
title_full_unstemmed	Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид»
title_sort	оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид»
publisher	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23441
citation_txt	Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид» / С.Н. Шевчук, А.Н. Гаран, С.А. Ивахненко, О.А. Заневский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 307-311. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
work_keys_str_mv	AT ševčuksn optimizaciâraspredeleniâtemperaturyvrostovomobʺemeapparatavysokogodavleniâtipatoroid AT garanan optimizaciâraspredeleniâtemperaturyvrostovomobʺemeapparatavysokogodavleniâtipatoroid AT ivahnenkosa optimizaciâraspredeleniâtemperaturyvrostovomobʺemeapparatavysokogodavleniâtipatoroid AT zanevskijoa optimizaciâraspredeleniâtemperaturyvrostovomobʺemeapparatavysokogodavleniâtipatoroid
first_indexed	2025-11-28T00:25:45Z
last_indexed	2025-11-28T00:25:45Z
_version_	1849991682806775808
fulltext	РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 307 щий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – К.: Изд-во ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2007. – Вып. 10. – С. 212–216. 9. Петасюк Г.А., Богатырева Г.П. Экстраполяционно-аналитический метод определения удельной поверхности порошков сверхтвердых материалов // Сверхтвердые матер. – 2007. – № 6. – С. 65–76. 10. О связи между содержанием включений в синтетических алмазах и их магнитными свойствами / Г. П. Богатырева, В. Б. Крук, Г. Ф. Невструев и др. // Синтетические ал- мазы. – 1977. – Вып. 6. – С.14–19. 11. М88 Украины 90.256–2004. Методика определения удельной магнитной восприимчи- вости порошков сверхтвердых материалов (СТМ). – К.: Изд-во ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2004. – 10 с. 12. ДСТУ 3292-95. Порошки алмазные синтетические. Общие технические условия. Введ. 01.01.96. – К.: Госстандарт Украины, 1995. – 72 с. Поступила 03.06.10 УДК 539.89:66.083 С. Н. Шевчук, А. Н. Гаран, кандидаты технических наук; С. А. Ивахненко, д-р техн. наук; О. А. Заневский, канд. хим. наук Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев ОПТИМИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В РОСТОВОМ ОБЪЕМЕ АППАРАТА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ТИПА «ТОРОИД» Settlement methods define increase possibility growth volume of cells for single diamond crystals growing in toroid type high pressure equipment. It is shown that at volume increase of the growth cell on 25 % limiting values of temperature in characteristic points do not exceed the maxi- mum values for this type equipment. It is shown that at growing of the big size samples the tem- perature distribution in growth volume corresponds to requirements for growing of structurally perfect single diamond crystals. Разработка ячеек для выращивания монокристаллов алмаза методом температурного градиента ограничена возможностями проведения экспериментальных исследований с ис- пользованием термопарных датчиков и малыми размерами деталей, применяемых для сбор- ки ростовых ячеек заданной конфигурации. В последнее время широко используют различ- ные методы расчетов с применением методов конечных элементов для решения задач, свя- занных с электро- и теплопроводностью. Эти методы позволяют путем варьирования свойств материалов, предназначенных для изготовления составляющих элементов ростового объема и контейнера аппарата высокого давления (АВД), оптимизировать характеристики массопе- реноса углерода в растворителе путем задания необходимых резистивных составляющих системы электрического нагревания для задания распределения температуры с требуемым соотношением ее осевых и радиальных градиентов [1–3]. Представляло интерес изучение расчетными методами изменения температурного по- ля в ростовых ячейках АВД типа «тороид» при увеличении их размеров – высоты и диаметра ростового объема соответственно на 4 и 3.5 мм с сохранением основных размеров элементов резистивного нагревания и теплоизоляции, применяемых в контейнере для АВД типа «торо- ид» С40 с полостью диаметром 40 мм. Для расчета использовали метод конечных разностей [4], который при неоднократном использовании [5,6] показал достаточно точное соответствие расчетных данных эксперимен- Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 308 тальным результатам, полученным при использовании термопарных датчиков для определе- ния полей температуры в ростовых ячейках АВД типа «тороид». Результаты расчетов по изменению размеров ростовой ячейки показаны на рис. 1. Для базового варианта расчета (рис. 1а, диаметр полости высокого давления АВД – 40 мм) ос- новными характеристическими точками температурного поля являются следующие: точка 1 – температура в месте расположения затравочного кристалла (1400 оС); точка 2 – температура в центре круга плоскости контакта источника углерода с рас- творителем (1460 оС); точка 3 – максимальная температура в центре трубчатого графитового нагревателя (1540 оС); точка 4 – температура в месте контакта верхнего и нижнего электровводов с твердо- сплавными матрицами АВД (соответственно 400 и 380 оС). Такая ростовая ячейка (рис. 1а) позволяет обеспечивать стабильное увеличение мо- нокристаллов алмаза долгое время. С увеличением высоты ростовой ячейки на 4 мм (рис. 1б) с таким же соотношением высоты растворителя и источника углерода, как и на рис. 1а, повышается температура в ха- рактеристических точках 2 и 3 соответственно до 1500 и 1580 оС и не изменяется температу- ра в характеристической точке 4 контакта электровводов с твердосплавными матрицами. а б в г Рис. 1. Схемы распределения температуры в ростовой ячейке АВД типа «тороид»: 1 – ис- точник углерода; 2 – сплав-растворитель; затравочный кристалл размером 0,3 – 0,4 мм рас- полагается в центре нижней поверхности сплава-растворителя; а – базовый вариант, б – при увеличении высоты ячейки на 4 мм; в – при увеличении диаметра на 3,5 мм, г – при увеличении высоты ячейки на 4 мм и диаметра на 3,5 мм; изотермы проведены через каждые 20 оС Если при всех прочих равных условиях относительно размеров элементов теплоизо- ляции и резистивного нагревания диаметр ростовой ячейки увеличить на 3 мм, температура в характеристических точках 1–3 для этого случая относительно базовой ячейки оказывается одинаковой, а температура твердосплавных матриц АВД в местах контакта с электроввода- ми ячейки значительно повышается на 40 и 60 оС для характеристической точки 4 соответст- венно верхней и нижней частей аппарата (рис. 1в). В последнем варианте рассмотрен случай ячейки с одновременным изменением ее высоты и диаметра соответственно на 4 и 3.5 мм (рис. 1г). В этом случае при сохранении температуры 1400 оС в характеристической точке 1 на 40 оС повышается температура в ха- рактеристических точках 2–4 по сравнению с базовым вариантом. Выполненные расчеты позволяют оценить изменение параметров нагревания и гради- ентов температуры при увеличении высоты и диаметра ростовой ячейки (табл. 1). РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 309 Таблица 1. Изменение объема, параметров нагревания и градиентов температуры при увеличении высоты и диаметра ростовой ячейки АВД типа «тороид» Вариант ячей- ки И зм ен ен ие о бъ е- м а, % М ощ но ст ь на гр е- ва ан ия , В т И зм ен ен ие м ощ - но ст и на гр ев ан ия , % С оп ро ти вл ен ие це пи н аг ре ва ни я, м О м С ре дн ее з на че ни е гр ад ие нт а те м пе - ра ту ры п о ос и ро ст ов ой я че йк и, о С /м м С ре дн ее з на че ни е гр ад ие нт а те м пе - ра ту ры п о пе ри - ф ер ии в н ап ра в- ле ни и ос и яч ей - ки ,о С /м м Базовый (рис. 1а) – 1895 – 5,5 12,3 4,8 Увеличение высоты ячей- ки на 4 мм (рис. 1б) +20.5 1968 +4 6,4 12,6 15,4 Увеличение диаметра ячейки на 3.5 мм (рис. 1в) +20.0 2287 +21 4,4 11,2 12,1 Увеличение высоты ячейки на 4 мм и диа- метра на 3.5 мм (рис. 1г) +42.7 2377 +25 5.1 12,0 15,6 Результаты расчетов показывают, что при увеличении диаметра и высоты ростовой ячей- ки АВД типа «тороид» ростовой объем увеличивается на 42,7 %, при сохранении приблизитель- но на одном уровне осевого градиента температуры, который является основной движущей си- лой углерода от источника к растущему кристаллу. Мощность нагревания ячейки максимально- го объема повышается по сравнению с базовым вариантом на 25 % и не превышает 2,4 кВт. С помощью метода конечных разностей можно проследить за изменением темпера- турного поля при увеличении размеров кристалла. Так, для базовой ячейки (рис. 1а) показа- но изменение температурных полей для двух случаев управления нагреванием ячейки – по температуре (рис. 2 а, б) и мощности (рис. 2 в, г). а б в г Рис. 2. Схемы изменения температурных полей в ростовых ячейках при увеличении размеров растущих кристаллов: а, в – до максимальных габаритных размеров 4х4 мм в поперечном сече- нии и высоты 3,5 мм; б, г – до максимальных габаритных размеров 8х8мм в поперечном сече- нии и высоты 7 мм (случаи а, б – выращивание при поддержании постоянной температуры в точке размещения затравки 1400 оС; случаи в, г – выращивание при постоянной мощности нагревания ростовой ячейки; изотермы проведены через каждые 20 оС) Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 310 В первом случае поддерживается постоянная температура в точке размещения затра- вочного кристалла (характеристическая точка 1); для расчетного случая приняли Т1 = 1400 оС. Во втором случае постоянной поддерживается мощность нагревания, при которой произво- дится процесс выращивания кристалла. Для расчета использовали следующие данные: тепло- проводность монокристаллов алмаза 300 Вт/м.К, температура 1400–1600 оС, и давление 6.5 ГПа, исходная высота сплава-растворителя для базовой ячейки 5 мм; высота источника угле- рода 3 мм. Высота источника углерода в расчетах уменьшалась на величину, соответствую- щую объему выросшего на затравке кристалла (рис. 2). Результаты расчетов для выращивания кристаллов при поддержании постоянной температуры Т1 = 1400 оС в характеристической точке показывают, что для кристаллов размерами 3,5–4,0 и 7,0–8,0 мм температура в характе- ристических точках 2 и 3 снижается соответственно до 1440, 1420, 1520 и 1500 оС; при этом для поддержания постоянной температуры Т1 = 1400 оС необходимо снижать силу тока нагре- вания ростовой ячейки в следующей последовательности: базовая ячейка (рис. 1а) – 1895 Вт → ячейка с кристаллами размером 3,5–4,0 мм (рис. 2а) – 1876 Вт (снижение на 1 %) → ячейка с кристаллами размером 7,0–8,0 мм (рис. 2б) – 1864 Вт (снижение на 1,6 %). При выращивании кристаллов путем поддержания постоянной мощности нагревания ростовой ячейки температура в характеристической точке 1 по мере увеличения массы кри- сталла до размеров 3–4 мм и 7–8 мм повышается соответственно до 1420 и 1430 оС, в то время как температура в характеристических точках 2 и 3 практически не изменяется с увеличением массы кристалла по сравнению с базовым вариантом и составляют соответственно 1460 и 1540 оС. Результаты оценки градиентов температуры для этого случая приведены в табл. 2. Как ви- дим, осевой градиент температуры в центре при увеличении массы кристалла снижается; осе- вой градиент на периферии ростовой ячейки при этом изменяется незначительно, с 13,2 до 11,8 оС/мм; в объеме кристалла при увеличении его размера с 3–4 до 7–8 мм градиент температуры снижается в 1,5 раза, а радиальный градиент по поверхности затравочной плоскости с увели- чением размеров кристалла повышается в 10 раз. Таблица 2 Расчетные значения градиентов температуры для различных ростовых ячеек при выращивании кристаллов путем поддержания постоянной мощности нагревания (W = 1895 Вт) Ячейка для расчета темпе- ратурных по- лей Температура в характеристи- ческой точке 1, оС Осевой гра- диент тем- пературы по центру, оС/мм Осевой гра- диент тем- пературы по перифе- рии росто- вой ячейки, оС/мм Осевой гра- диент тем- пературы по центру кри- сталла, оС/мм Радиальный градиент температуры по поверх- ности плос- кости затра- вочного кри- сталла, оС/мм Базовая (рис. 1а) 1400 12,5 1,.2 – 0,7 С кристаллом размером 3–4 мм (рис. 2в) 1420 8,7 12,8 6,0 4,1 С кристаллом размером 7–8 мм (рис. 2г) 1430 5,5 11,8 3,9 6,3 Таким образом, согласно результатам исследования приходим к следующим выводам. 1. Увеличение размеров реакционной ячейки – высоты на 4 мм и диаметра на 3,5 мм позволяет увеличить ростовой объем ячейки АВД типа «тороид» на 25 %. В результате по- РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 311 является возможность выращивания монокристаллов алмаза на 20 масс. % больше, чем для базового варианта ячейки. 2. Результаты расчетов температурных полей при выращивании монокристаллов ал- маза размером 7–8 мм (максимальной массой 2,5–3,0 карат) показали, что изменение темпе- ратурного градиента в процессе увеличения кристаллов не превышает значений, необходи- мых для получения структурно совершенных образцов. Литература 1. Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента / А. П. Чепугов, В. В. Лысаковский, М. А. Серга и др.//Породоразрушающий и металлообра- батывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр.– К.: Изд-во ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2009. – Вып. 12. – С. 179– 182. 2. Будяк А. А., Иваненко С. А. О влиянии конфигурации деформируемого уплотнения на тепловое поле в реакционной ячейке при выращивании монокристаллов алмаза ме- тодом температурного градиента // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – К.: Изд-во ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2006. – Выпуск 9. – С. 155–157. 3. Расчет температурного поля и массопереноса углерода при выращивании монокри- сталлов алмаза в расплаве металлов / С. А. Ивахненко, О. А. Заневский, А. А. Будяк и др.// Рос. хим. журн. – 2006. – Т. L. – № 1. – С. 43–47. 4. Будяк А. А., Ивахненко С. А. К модели массопереноса углерода при выращивании монокристаллов алмаза на затравке //Сверхтвердые матер. – 1990. – № 4. – С. 11–17. 5. Будяк А. А. Расчет теплового поля в реакционной ячейке АВД методом поэтапного моделирования //Сверхтвердые матер. – 1994. – № 3. – С. 13–17. 6. Серга М. А., Шевчук С. Н. Моделирование температурных полей в ячейке для выра- щивания монокристаллов алмаза при стимулированном зародышеобразовании // Сверхтвердые матер. – 2005. – № 6. – С. 71–77. Поступила 07.07.10 УДК 622.23.051.7 О. А. Заневский, канд. хим. наук; С. А. Ивахненко, д-р техн. наук; Г. Д. Ильницкая, Л. И. Александрова, А. П. Закора, Р. К. Богданов, кандидаты технических наук Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА ТИПА Ib РАЗМЕРОМ 1–2 ММ В БУРОВОМ ИНСТРУМЕНТЕ The results of durability study are presented for synthetic type-Ib diamond monocrystal un- der heat at 1150 ° C in an argon environment. In current stage of the research the applicability of such diamonds in experimental drill bits is ensured due to use of magnetic separation methods. Развитие методов выращивания монокристаллов алмаза позволяет значительно рас- ширить области их применения. Одной из сторон практического применения таких монокри- сталлов является их использование для производства породоразрушающего инструмента, в

Оптимизация распределения температуры в ростовом объеме аппарата высокого давления типа «тороид»

Репозитарії

Схожі ресурси