一種用于液相反應(yīng)、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具的制作方法

專利名稱：一種用于液相反應(yīng)、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模具，特別是一種用于液相反應(yīng)、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具。
背景技術(shù)：
高溫高壓物相轉(zhuǎn)變方法在制備新材料過程中起著相當(dāng)重要的作用，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。除了人們熟知的立方氮化硼和金剛石外，還有相當(dāng)多的特種結(jié)構(gòu)和功能材料都是通過這種方法得到的。到目前為止，人們已經(jīng)在高溫高壓合成新材料方面投入了大量的人力物力，并使這種方法得到了長足的進(jìn)展。但是，這種方法存在的一個(gè)明顯缺點(diǎn)是需要使用大型高壓設(shè)備，實(shí)驗(yàn)條件十分苛刻，因此也就造成了高投入低產(chǎn)出的固有缺點(diǎn)，使得如立方氮化硼和金剛石等性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能材料難于得到廣泛應(yīng)用。如果把上述物相轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)移到液相環(huán)境中，利用液態(tài)體系具有各向同性性質(zhì)，有利于穩(wěn)定高對稱性物相的特點(diǎn)，完全有希望大幅度降低相變溫度和壓力。另外，通過合理選擇液體組分，使得固態(tài)物質(zhì)首先溶解進(jìn)入液相，在施加一定的溫度和壓力條件下使之重新析出，即經(jīng)歷固態(tài)→液態(tài)(溶解)→固態(tài)(重析出)的轉(zhuǎn)變過程，則可以使原先需要在高溫高壓下才能實(shí)現(xiàn)的物相轉(zhuǎn)變過程在相當(dāng)溫和的條件下完成，從而大幅度降低超硬材料(例如金剛石和立方氮化硼等)的制備成本。同時(shí)，由于液相環(huán)境為超硬材料的生長提供了一個(gè)極其有利的場所，因此使用該方法也能夠得到大尺寸的超硬材料晶體，而用固態(tài)高溫高壓方法是無法做到的。
為了得到具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的材料，在人們探索新材料的過程中較多地使用各種極端條件，其中水熱和溶劑熱合成方法就是應(yīng)用得比較廣泛的兩種手段。利用水熱合成方法，現(xiàn)在已經(jīng)制備出大量的結(jié)構(gòu)和功能材料，其中以石英晶體和微孔/介孔材料的合成最具代表性。溶劑熱方法是近些年發(fā)展起來的新方法，它在非氧化物納米材料的制備方面發(fā)揮了重要的作用，利用這種方法已經(jīng)成功地合成了包括氮化鎵、立方氮化硼、硼化物、碳化物等多種納米粉、線、管材料，并且它的應(yīng)用范圍還在迅速擴(kuò)大。
為了研究高溫高壓極端條件下的液相反應(yīng)過程，制備出系列通常條件下難于獲得的材料，人們在反應(yīng)釜的材質(zhì)和設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了不斷改進(jìn)，使得水熱和溶劑熱反應(yīng)的極限溫度和壓力不斷提高。但是，到目前為止，高壓反應(yīng)釜仍然存在較多難于克服的缺點(diǎn)，包括利用反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)時(shí)能夠達(dá)到的極限溫度和壓力仍嫌較低、反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力之間存在固定的聯(lián)系，無法獨(dú)立調(diào)變，而且在反應(yīng)釜內(nèi)只能進(jìn)行一種形式的液態(tài)反應(yīng)，無法實(shí)現(xiàn)多種反應(yīng)形式的原位組合。
多孔固化體由于具有合適的力學(xué)強(qiáng)度、大的比表面積、高的表面活性以及在相當(dāng)大范圍內(nèi)可調(diào)變的孔徑，在吸附、催化、化工、環(huán)保、醫(yī)療、復(fù)合功能材料和敏感材料的研制方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，其中的多孔納米固體更是這類材料中的佼佼者。多孔納米固體除了具有一般的多孔材料的優(yōu)點(diǎn)外，還具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如，表面活性更高，存在納米顆粒內(nèi)部以及孔道中的雙重量子限制效應(yīng)，使材料性能的可調(diào)變余地更大等。在環(huán)保和化工生產(chǎn)中，多孔納米固體是理想的吸附劑和催化劑，它不僅易于回收，而且消除了二次污染問題；在敏感器件研制方面，多孔納米固體由于具有高的表面活性和大的比表面積，對外界環(huán)境的變化十分敏感，用它可以制成高性能的傳感器；在光電復(fù)合功能材料的研制中，多孔納米固體的雙重量子限制效應(yīng)以及高表面活性使之更容易與第二相材料形成強(qiáng)的化學(xué)鍵，并對第二相材料產(chǎn)生很強(qiáng)的量子限制效應(yīng)，從而產(chǎn)生新的性質(zhì)和功能，為研制多種多樣的納米復(fù)合功能材料奠定基礎(chǔ)。
正是由于多孔固化體具有極其廣泛的用途，人們在這類材料的制備方法方面進(jìn)行了大量系統(tǒng)探索，發(fā)展了多種制備方法。這些制備方法可以分成三個(gè)大類一是高溫造孔方法，二是溶液中的模板組裝方法，三是水熱熱壓方法。其中高溫造孔方法雖然可以得到有一定強(qiáng)度的燒結(jié)體，但是在燒結(jié)過程中很難控制納米顆粒的長大，而且對作為原料的納米顆粒的穩(wěn)定性有較高要求；溶液中的模板組裝方法的優(yōu)點(diǎn)是可以得到孔徑均勻、孔道規(guī)則排列的多孔材料(例如分子篩)，但是這種方法得到的多孔材料孔徑可調(diào)變性很差，而且難于得到大孔和超大孔徑的多孔材料。這種方法另外一個(gè)缺點(diǎn)是目前只能得到粉末狀的材料；水熱熱壓方法則是一種低溫?zé)Y(jié)成型方法，它具有制樣溫度低、條件易于控制的優(yōu)點(diǎn)，而且可以得到具有較高力學(xué)強(qiáng)度的固體。但這種方法適用的材料體系較少，而且對于液態(tài)造孔劑的添加量有嚴(yán)格的限制，為實(shí)際應(yīng)用帶來很多不便。為克服這些缺點(diǎn)，我們曾經(jīng)發(fā)展了一種可控汽化溶劑熱壓方法，成功制備了多種多孔納米固體。
要實(shí)現(xiàn)固態(tài)物質(zhì)的液相反應(yīng)和制備多孔固化體，最關(guān)鍵的就是專用容器——模具的設(shè)計(jì)。目前還沒有發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明相類似的模具，也沒有見到類似的研究論文和專利技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種用于液相反應(yīng)和、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具。利用這種組合模具，可以實(shí)現(xiàn)高溫高壓液相環(huán)境中的物相轉(zhuǎn)變過程，實(shí)現(xiàn)立方氮化硼和金剛石等超硬材料及其體塊晶體的低成本大批量制備；應(yīng)用于液相反應(yīng)時(shí)，液體壓力可以很容易地達(dá)到數(shù)千甚至上萬大氣壓，溫度則從室溫一直到上千攝氏度，而且液相反應(yīng)的溫度和壓力可以相互獨(dú)立地調(diào)節(jié)，并能夠同時(shí)完成高壓液相反應(yīng)和固態(tài)熱壓過程；另外，這種組合模具還能夠應(yīng)用于制備多孔固化體(包括多孔納米固體)，不僅使液態(tài)造孔劑的添加量不受任何限制，而且可以把介孔材料的模板誘導(dǎo)成孔過程與可控汽化溶劑熱壓過程組合為一體、一次完成。
一種用于液相反應(yīng)和、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具，包括模具外筒、模具內(nèi)筒、內(nèi)筒密封塞、內(nèi)筒密封圈、密封塞壓環(huán)、內(nèi)傳壓活塞、外筒密封圈以及外傳壓活塞，模具內(nèi)筒中間是兩個(gè)相對安裝的內(nèi)筒密封塞，兩個(gè)內(nèi)簡密封塞之間是一個(gè)用于儲存液體的空間，內(nèi)筒密封塞外側(cè)依次設(shè)有內(nèi)筒密封圈和密封塞壓環(huán)，裝有內(nèi)筒密封塞、內(nèi)筒密封圈和密封塞壓環(huán)的模具內(nèi)筒套裝在模具外筒內(nèi)；模具外筒內(nèi)兩端分別設(shè)有內(nèi)傳壓活塞和外傳壓活塞，內(nèi)傳壓活塞和外傳壓活塞之間設(shè)有外筒密封圈，模具外筒外表面上設(shè)有加熱管。
模具外筒由模具外筒內(nèi)層和模具外筒外層組成，根據(jù)工作壓力的要求，模具外筒可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是雙層或多層結(jié)構(gòu)。
內(nèi)筒密封圈和外筒密封圈可以是由較軟的材料構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)，也可以是由軟、硬度不同的兩種材料構(gòu)成的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
由耐熱耐腐蝕材料構(gòu)成的內(nèi)筒密封塞上設(shè)有螺桿，該螺桿穿過密封塞壓環(huán)，用預(yù)拉緊螺母旋擰在螺桿上將內(nèi)筒密封塞、內(nèi)筒密封圈和密封塞壓環(huán)三者固定連接成一體。
由高強(qiáng)度耐壓材料構(gòu)成的外傳壓活塞的下部中央設(shè)有一個(gè)圓形洞。
由高強(qiáng)度耐壓材料構(gòu)成的內(nèi)傳壓活塞下部中央和下部周圍設(shè)有用于儲存液體的空間，上部中央設(shè)有一個(gè)與內(nèi)傳壓活塞成一體的圓柱體，安裝后，該圓柱體位于外傳壓活塞下部中央的圓形洞內(nèi)。
本發(fā)明各部件的主要功能如下1、多層結(jié)構(gòu)的模具外筒包括外層和內(nèi)層，外層對內(nèi)層產(chǎn)生一個(gè)預(yù)先壓緊的力，以便增強(qiáng)內(nèi)層的抗壓能力。內(nèi)外層可以用相同的材料加工，也可以用不同的材料加工。一般情況是內(nèi)層用硬度高的材料，而外層使用抗拉能力強(qiáng)的材料加工。外層表面附設(shè)加熱管，用于為模具加熱。雙層外筒的主要作用是為內(nèi)筒提供支撐，使之在承受高壓時(shí)不至于變形。
2、模具內(nèi)筒的作用是在外筒的支撐下，與兩端的密封塞一起構(gòu)成一個(gè)密閉的空間，為液相反應(yīng)的主要容器。內(nèi)筒一般使用耐熱、耐腐蝕的材料加工。
3、內(nèi)筒密封塞、內(nèi)簡密封圈和密封塞壓環(huán)通過內(nèi)筒密封塞上的螺桿和預(yù)拉緊螺母的固定連接，形成一個(gè)組合密封體系。模具內(nèi)筒的另一端對稱性地放置同樣的一套組合密封體系，兩套相對放置的組合密封體系與模具內(nèi)筒共同組成一個(gè)密閉的反應(yīng)容器。
當(dāng)進(jìn)行液態(tài)高壓反應(yīng)時(shí)，內(nèi)筒密封圈需要使用較高強(qiáng)度的材料加工，以便有效地對液體進(jìn)行密封；相反，當(dāng)需要制備多孔的塊體材料時(shí)，內(nèi)筒密封圈需使用強(qiáng)度較低的材料加工，以便在實(shí)驗(yàn)過程的后期能夠?qū)⑷軇╉樌麖膬?nèi)筒中擠出。
4、內(nèi)傳壓活塞一般是用強(qiáng)度較高的耐壓材料加工的，其作用有兩個(gè)一是把壓機(jī)產(chǎn)生的壓力傳遞到密封塞壓環(huán)和內(nèi)筒密封塞上，對液體樣品施加壓力，二是與外傳壓活塞一起擠壓外筒密封圈，實(shí)現(xiàn)外筒的密封。另外，在內(nèi)傳壓活塞上的空隙部分用于儲存從內(nèi)筒中被擠出的液體。
5、外傳壓活塞也是由強(qiáng)度較高的耐壓材料加工的，主要作用是一、把壓機(jī)產(chǎn)生的壓力向模具內(nèi)傳遞給外筒密封圈和內(nèi)傳壓活塞，二是與內(nèi)傳壓活塞一起擠壓外簡密封圈，使之向四周膨脹，實(shí)現(xiàn)對外筒的密封。
本發(fā)明的組合模具在使用前，首先將內(nèi)筒密封圈套在內(nèi)筒密封塞上，然后使內(nèi)筒密封塞中部的螺桿穿過密封塞壓環(huán)上的圓孔，接著把預(yù)拉緊螺母旋到內(nèi)筒密封塞中部的螺桿上并稍稍擰緊，再把組合好的內(nèi)筒密封塞、內(nèi)簡密封圈和密封塞壓環(huán)裝入模具內(nèi)筒的一端，再次上緊預(yù)拉緊螺母12使內(nèi)筒密封圈11向外膨脹并將模具內(nèi)筒的一端封緊；向內(nèi)筒中加入樣品后，再按照上述操作過程把模具內(nèi)筒的另一端密封好。
使內(nèi)傳壓活塞的圓柱體穿過外筒密封圈中間的圓孔，再穿進(jìn)外傳壓活塞中間的圓形洞，把這個(gè)組合部件放入模具外筒的一端固定好，接著從外筒的另一端將密封好的內(nèi)筒放入外筒中，再把由內(nèi)傳壓活塞、外筒密封圈和外傳壓活塞組成的組合部件放入模具外筒的另一端并固定好，即可用壓力機(jī)對模具施加適當(dāng)壓力、控制模具的溫度，開始實(shí)驗(yàn)。
本發(fā)明具有如下特征模具外筒采用單層或者多層結(jié)構(gòu)，當(dāng)工作壓力比較低時(shí)可以使用單層結(jié)構(gòu)，而當(dāng)模具需要在較高的壓力下工作時(shí)，需要使用多層組合結(jié)構(gòu)。外筒一般使用高強(qiáng)度材料加工。另外，在模具的外簡里面加襯內(nèi)筒，使模具可以適用于多種極端條件下的化學(xué)反應(yīng)和材料制備過程，且更換和清洗十分方便。內(nèi)筒使用耐熱耐腐蝕的材料加工，而且要求有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。
模具使用組合密封方式，可以根據(jù)需要使材料制備過程在固態(tài)條件下進(jìn)行，也可以在液相條件下制備材料。同時(shí)，還可以通過改變內(nèi)外筒密封圈的種類，在制備多孔固化體時(shí)使溶劑以可控方式排出，得到性能更加優(yōu)良的多孔固化體。
模具的內(nèi)筒密封塞穿過密封塞壓環(huán)后，用預(yù)拉緊螺母拉緊，使內(nèi)筒密封圈預(yù)膨脹并貼緊內(nèi)筒內(nèi)壁，從而對液體樣品實(shí)施有效的密封。
當(dāng)模具用于高溫高壓條件下的液相相變和液相合成實(shí)驗(yàn)時(shí)，內(nèi)外筒密封圈需要使用具有較高熔點(diǎn)和強(qiáng)度的材料(例如塑料、石墨和軟合金等)加工，以便能夠承受苛刻的實(shí)驗(yàn)條件使液體不滲漏；當(dāng)用于原位液態(tài)反應(yīng)和固化成型實(shí)驗(yàn)時(shí)，內(nèi)筒密封圈的強(qiáng)度應(yīng)該低于外筒密封圈。這時(shí)，在稍低的壓力下預(yù)先進(jìn)行液相反應(yīng)和液相相變過程，待這個(gè)過程完成后，提高壓力后使液體從樣品中排出，接著進(jìn)行固相燒結(jié)和結(jié)晶化過程。當(dāng)模具用于制備多孔固化體時(shí)，內(nèi)筒密封圈使用彈性較好的柔性材料制造，外筒則可以用強(qiáng)度較高的材料制造。這樣，可以在內(nèi)筒中完成可控造孔過程，然后再適當(dāng)提高壓力后將液體從內(nèi)筒擠出，完成固化過程。
利用本發(fā)明的組合模具，不僅明顯改善了樣品的孔徑均勻性和孔隙率，而且可以人為地調(diào)控孔道在樣品中的排列方式，使得多孔固化體的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到微腔光電子器件陣列的研制等諸多新領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的新型組合模具的組裝效果圖。
圖2是本發(fā)明中模具外筒的側(cè)剖面圖。
圖3是本發(fā)明中模具內(nèi)筒的側(cè)剖面圖。
圖4是本發(fā)明中內(nèi)簡密封用的壓環(huán)的縱剖面圖。
圖5(a)是本發(fā)明中單層結(jié)構(gòu)內(nèi)筒密封圈的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5(b)是本發(fā)明中雙層結(jié)構(gòu)內(nèi)筒密封圈的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明中內(nèi)筒密封塞的縱剖面圖。
圖7是本發(fā)明中外傳壓活塞的縱剖面圖。
圖8(a)是本發(fā)明中單層結(jié)構(gòu)外筒密封圈的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8(b)是本發(fā)明中雙層結(jié)構(gòu)外筒密封圈的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9是本發(fā)明中內(nèi)傳壓活塞的縱剖面圖。
其中，1、外筒密封圈，2、模具外筒的內(nèi)層，3、模具外簡的外層，4、模具內(nèi)筒，5、內(nèi)筒密封塞，6、密封塞壓環(huán)，7、外傳壓活塞，8、內(nèi)傳壓活塞，9、用于儲存液體的空間，10、盛放液態(tài)樣品的空間，11、內(nèi)筒密封圈，12、預(yù)拉緊螺母，13、加熱管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明的模具的結(jié)構(gòu)及其使用方法和用途作進(jìn)一步的說明實(shí)施例1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1至圖9所示，包括模具外筒2和3、模具內(nèi)筒4、內(nèi)筒密封塞5、內(nèi)簡密封圈11、密封塞壓環(huán)6、內(nèi)傳壓活塞8、外筒密封圈1以及外傳壓活塞7，模具內(nèi)筒4中間是兩個(gè)相對安裝的內(nèi)筒密封塞5，兩個(gè)內(nèi)筒密封塞5之間是一個(gè)用于儲存液體的空間9，內(nèi)筒密封塞5的外側(cè)依次設(shè)有內(nèi)筒密封圈11和密封塞壓環(huán)6，裝有內(nèi)筒密封塞5、內(nèi)筒密封圈11和密封塞壓環(huán)6的模具內(nèi)筒4套裝在模具外筒2和3內(nèi)；模具外筒內(nèi)兩端分別設(shè)有內(nèi)傳壓活塞8和外傳壓活塞7，內(nèi)傳壓活塞8和外傳壓活塞7之間設(shè)有外筒密封圈1，模具外筒外表面上設(shè)有加熱管13。
由耐熱耐腐蝕材料構(gòu)成的內(nèi)筒密封塞5上設(shè)有螺桿，該螺桿穿過密封塞壓環(huán)6，用預(yù)拉緊螺母12旋擰在螺桿上將內(nèi)筒密封塞5、內(nèi)筒密封圈11和密封塞壓環(huán)6三者固定連接成一體。外傳壓活塞的下部中央設(shè)有一個(gè)圓形洞，內(nèi)傳壓活塞下部中央和下部周圍設(shè)有用于儲存液體的空間，上部中央設(shè)有一個(gè)與內(nèi)傳壓活塞成一體的圓柱體，安裝后，該圓柱體位于外傳壓活塞下部中央的圓形洞內(nèi)。
模具外筒采用單層結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒密封圈和外筒密封圈都使用較軟的材料聚四氟乙烯加工，利用該模具進(jìn)行壓力＜200MPa條件下的液相反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。這時(shí)內(nèi)筒密封圈作為主密封圈，液態(tài)反應(yīng)完全在內(nèi)筒中進(jìn)行；外筒密封圈則作輔助密封用，以便防止液態(tài)樣品在壓力作用下向外泄漏。
實(shí)施例2；同實(shí)施例1，不同之處是，模具外筒采用單層結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒密封圈使用中低強(qiáng)度材料硅橡膠加工，外筒密封圈使用較高強(qiáng)度的材料聚四氟乙烯加工，此時(shí)模具用于制備多孔納米固化體。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先把與溶劑混勻的納米顆粒裝入內(nèi)筒中，組裝好模具后，把壓力設(shè)定在較低的數(shù)值，同時(shí)對樣品加熱。溫度和壓力恒定一段時(shí)間后，提高壓力使內(nèi)筒密封圈失效，溶劑被擠壓出來，固體顆粒在溫度180～250℃，壓力60～200MPa條件下，形成孔徑在介孔到大孔范圍內(nèi)的多孔固化體。
實(shí)施例3同實(shí)施例1，不同之處是，模具外筒采用單層結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒密封圈使用柔性石墨加工，外筒密封圈使用軟合金加工。此時(shí)模具用于中低壓力下的液相相變以及原位燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先把固體顆粒與溶劑混合均勻，然后置于內(nèi)筒中，密封并組裝好模具后，把壓力設(shè)定在90～150MPa，同時(shí)對樣品加熱。溫度和壓力恒定一段時(shí)間后，提高溫度和壓力使內(nèi)筒密封圈失效，溶劑被擠壓出來，固體顆粒在高溫和壓力共同作用下原位燒結(jié)成致密的陶瓷體。
實(shí)施例4同實(shí)施例1，所不同的是模具外筒采用雙層結(jié)構(gòu)，這時(shí)利用該模具可以進(jìn)行壓力在400～600MPa條件下的液相高壓合成實(shí)驗(yàn)。
實(shí)施例5同實(shí)施例2，所不同的是模具外筒采用雙層結(jié)構(gòu)，這種情況下可以利用該模具在壓力360～500MPa條件下制備微孔的多孔固化體。
實(shí)施例6同實(shí)施例1，所不同的是模具外筒采用四層結(jié)構(gòu)，這時(shí)模具可用于進(jìn)行壓力在600～1200MPa條件下的液相高壓合成實(shí)驗(yàn)。
實(shí)施例7同實(shí)施例1，所不同的是模具外筒采用四層結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒和外筒密封圈均使用復(fù)合密封圈(圖5(b)和圖8(b))，這種結(jié)構(gòu)的模具可以用于壓力＞1200MPa條件下的液相超高壓合成實(shí)驗(yàn)。
實(shí)施例8同實(shí)施例1，所不同的是模具外筒采用四層結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒密封圈使用中低強(qiáng)度材料聚四氟乙烯加工，外筒密封使用復(fù)合密封圈(圖8(b))。利用這種模具可以在壓力＞500MPa的高壓和超高壓條件下制備微孔的多孔固化體。
實(shí)施例9同實(shí)施例8，所不同的是外筒密封采用的是用高強(qiáng)度材料加工的簡單密封圈。
實(shí)施例10同實(shí)施例6，所不同的是外筒采用八層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的模具可以在工作壓力＞1500MPa的條件下使用。
實(shí)施例11同實(shí)施例7，所不同的是外筒采用八層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的模具可以在工作壓力＞1800MPa的條件下使用。
實(shí)施例12作為本發(fā)明的模具的具體應(yīng)用，我們利用該模具在高溫高壓條件下水熱反應(yīng)合成了立方BN。實(shí)驗(yàn)中所用模具的具體結(jié)構(gòu)為模具外筒采用雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，模具的內(nèi)外筒密封圈都用聚四氟乙烯加工。實(shí)驗(yàn)具體過程是把化學(xué)計(jì)量比的H3BO3、N2H4·H2O和NaN3溶入水中并攪拌均勻后，混合溶液被密封入模具內(nèi)筒中。把內(nèi)筒密封并將模具組裝好后，用壓力機(jī)對模具施加120MPa的壓力，同時(shí)把溫度升高到300℃恒溫8～10小時(shí)后，使模具自然冷卻到室溫就可以得到立方氮化硼微晶。
實(shí)施例13作為本發(fā)明的模具的另外一個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例，我們利用該模具在高溫高壓條件下水熱反應(yīng)合成了立方氮化碳。實(shí)驗(yàn)中所用模具的具體結(jié)構(gòu)為模具外筒采用三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，模具的內(nèi)簡密封圈用聚四氟乙烯加工，外筒密封圈用聚四氟乙烯和柔性石墨復(fù)合密封圈。實(shí)驗(yàn)具體過程是把化學(xué)計(jì)量比的CBr4和NaN3溶入水中，快速攪拌20～30分鐘后把混合溶液裝入內(nèi)筒中，密封。在將整個(gè)模具組裝好之后，在模具上施加250MPa的壓力，同時(shí)將模具加熱到280～340℃恒溫12～20小時(shí)后，使模具自然冷卻到室溫，這樣就可以得到立方氮化碳微晶。
實(shí)施例14利用本發(fā)明的模具在高溫高壓條件下水熱合成金剛石。實(shí)驗(yàn)中所用模具的具體結(jié)構(gòu)為模具外筒采用三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，模具的內(nèi)筒和外筒密封圈都采用聚四氟乙烯和軟合金復(fù)合密封圈。實(shí)驗(yàn)具體過程是把化學(xué)計(jì)量比的K2CO3和薄片狀白磷溶入水中，快速攪拌20～30分鐘后把混合溶液裝入內(nèi)筒中，密封。在將整個(gè)模具組裝好之后，在模具上施加250～400MPa的壓力，同時(shí)將模具加熱到350～400℃恒溫16～20小時(shí)后，使模具自然冷卻到室溫，這樣就可以得到金剛石微晶。
實(shí)施例15同實(shí)施例12，所不同的是用苯取代了水，同時(shí)用BCl3和NaNH2取代了H3BO3、N2H4·H2O和NaN3，這樣就可以得到立方BN納米晶體。
實(shí)施例16利用本發(fā)明的模具在高溫高壓溶劑熱條件下合成立方氮化碳。模具的具體結(jié)構(gòu)是外筒采用三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，模具的內(nèi)筒和外筒密封圈都采用聚四氟乙烯和柔性石墨復(fù)合密封圈。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將化學(xué)計(jì)量比的CCl4與NaN3和Li3N的混合物混合均勻，再加入過量5～10倍的CCl4。把上述混合物裝入模具并密封好后，對模具施加350～450MPa的壓力，同時(shí)將模具加熱到400℃恒溫8小時(shí)。待模具冷卻到室溫后，就可以得到立方氮化碳納米晶。
實(shí)施例17同實(shí)施例16，不同之處在于Li3N被同摩爾的金屬鉀取代，這樣可以得到金剛石與立方氮化碳的復(fù)合納米晶體。
實(shí)施例18利用本發(fā)明的模具在高溫高壓溶劑熱條件下合成金剛石。模具的具體結(jié)構(gòu)是外筒采用三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，模具的內(nèi)簡和外筒密封圈都采用聚四氟乙烯和軟合金復(fù)合密封圈。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將化學(xué)計(jì)量比的Na2C2O4粉末與薄片狀的白磷在苯中混合，然后把該混合物裝入模具并密封好后，對模具施加450MPa的壓力，同時(shí)將模具加熱到360℃恒溫12小時(shí)。待模具冷卻到室溫后，就可以得到金剛石納米晶。
實(shí)施例19利用本發(fā)明的模具在高溫高壓水熱條件下實(shí)現(xiàn)氮化硼的物相轉(zhuǎn)變。模具的具體結(jié)構(gòu)是外筒采用四層復(fù)合結(jié)構(gòu)，模具的內(nèi)筒和外筒密封圈都采用聚四氟乙烯和軟合金復(fù)合密封圈。實(shí)驗(yàn)中，將六方氮化硼微晶充分研磨后，再與硼酸銨的飽和水溶液混合均勻，然后把樣品裝入模具并密封好后，對模具施加800～1200MPa的壓力，同時(shí)將模具加熱到380～450℃并恒溫20小時(shí)。待模具冷卻到室溫后，就可以得到立方氮化硼微晶。
實(shí)施例20利用本發(fā)明的模具在高溫高壓水熱條件下實(shí)現(xiàn)石墨的物相轉(zhuǎn)變。模具的具體結(jié)構(gòu)是外簡采用五層復(fù)合結(jié)構(gòu)，模具的內(nèi)筒和外筒密封圈都采用柔性石墨和軟合金復(fù)合密封圈。實(shí)驗(yàn)中，將非晶態(tài)石墨充分研磨后，再與去離子水混合均勻，然后把樣品裝入模具并密封好后，對模具施加1800～2500MPa的壓力，同時(shí)將模具加熱到780～900℃并恒溫6小時(shí)。待模具冷卻到室溫后，就可以得到金剛石微晶。
實(shí)施例21同實(shí)施例20，所不同的是用非晶態(tài)氮化碳代替了非晶態(tài)的石墨。
實(shí)施例22同實(shí)施例19，所不同的是用苯取代了硼酸銨的飽和水溶液，用納米氮化硼取代了六方氮化硼微晶。
實(shí)施例23同實(shí)施例19，所不同的是用CCl4取代了硼酸銨的飽和水溶液，用納米氮化碳取代了六方氮化硼微晶。
實(shí)施例24利用本發(fā)明的模具可以方便地實(shí)現(xiàn)發(fā)明專利ZL03111872.0中的所有內(nèi)容，制備出多種多樣的多孔納米固化體。
實(shí)施例25利用本發(fā)明的模具制備孔道排列有序的多孔納米固化體。由于本發(fā)明的模具可以把液態(tài)反應(yīng)過程與原位成孔和固化過程結(jié)合起來，一次完成，因此在制備多孔固化體時(shí)溶劑添加量不受任何限制。利用這種優(yōu)勢，我們把介孔材料的成孔過程引入到多孔固化體的制備中，再結(jié)合原位固化得到孔道有序排列的多孔納米固化體。
模具的具體結(jié)構(gòu)為外筒采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒密封圈用氟橡膠和聚四氟乙烯復(fù)合密封圈，外筒密封圈則用聚四氟乙烯加工。實(shí)驗(yàn)過程是首先把氧化鋁納米粉與水混合均勻，調(diào)成稀溶膠，然后再按照100倍臨界濃度的量加入表面活性劑(例如，十六烷基三甲基溴化胺等)。充分?jǐn)嚢璨⒔?jīng)過超聲分散后，裝入模具內(nèi)筒中，密封并將整個(gè)模具組裝好。在模具上首先施加40～60MPa的壓力，然后使模具的溫度緩慢升高到180～200℃并恒溫24～36小時(shí)。接著把壓力緩慢地提高到80～120MPa，溫度升高到220～250℃。這個(gè)過程中，水及表面活性劑被從內(nèi)筒中擠壓出來，進(jìn)入內(nèi)傳壓活塞的空隙中，模具內(nèi)筒中則留下孔道大小均勻且規(guī)則排列的氧化鋁多孔納米固化體。
實(shí)施例26同實(shí)施例25，所不同的是用二氧化硅納米粉取代了氧化鋁納米粉，最后得到的是孔道大小均勻且規(guī)則排列的二氧化硅多孔納米固化體。
實(shí)施例27同實(shí)施例25，所不同的是液體中不再加入任何表面活性劑，而且氧化鋁納米粉被二氧化鈦納米粉代替。這樣可以得到孔徑大小一致、空間分布均勻且具有高孔隙率的二氧化鈦多孔納米固化體。
實(shí)施例28同實(shí)施例25，所不同的是液體中不再加入任何表面活性劑，而且氧化鋁納米粉被二氧化鋯納米粉代替。這樣可以得到孔徑大小一致、空間分布均勻且具有高孔隙率的二氧化鋯多孔納米固化體。
實(shí)施例29同實(shí)施例25，所不同的是液體中不再加入任何表面活性劑，而且氧化鋁納米粉被氧化鋅納米粉代替。這樣可以得到孔徑大小一致、空間分布均勻且具有高孔隙率的氧化鋅多孔納米固化體。
實(shí)施例30同實(shí)施例25，所不同的是液體中不再加入任何表面活性劑，而且氧化鋁納米粉被羥基磷灰石納米粉代替。這樣可以得到孔徑大小一致、空間分布均勻且具有高孔隙率的羥基磷灰石多孔納米固化體。
實(shí)施例31利用本發(fā)明的模具進(jìn)行氮化硼納米材料的高壓液態(tài)相變和原位燒結(jié)過程研究。模具外筒采用三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒密封圈用柔性石墨加工，外筒密封圈用軟合金加工。實(shí)驗(yàn)過程中，首先把氮化硼納米粉與CCl4混合均勻并用超聲波處理，然后裝入模具內(nèi)筒中，密封。待把模具組裝完后，用壓力機(jī)對模具施加160～220MPa的壓力，接著把模具的溫度緩慢加熱到280℃并恒溫8～12小時(shí)。這個(gè)過程完成后，再把壓力逐漸提高到650～800MPa，同時(shí)把溫度提高到1000～1200℃恒溫6～8小時(shí)。
在上述過程中，CCl4逐漸被從內(nèi)筒中擠壓出來，進(jìn)入內(nèi)傳壓活塞的間隙并分解炭化，內(nèi)筒中的立方氮化硼納米晶的結(jié)晶質(zhì)量不斷改善，并被燒結(jié)成致密堅(jiān)硬的陶瓷體。實(shí)施例32同實(shí)施例31，所不同的是氮化硼納米粉被非晶態(tài)石墨所代替，最后得到的是致密堅(jiān)硬的納米金剛石燒結(jié)體。
權(quán)利要求
1.一種用于液相反應(yīng)、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具，其特征在于，包括模具外筒、模具內(nèi)筒、內(nèi)筒密封塞、內(nèi)筒密封圈、密封塞壓環(huán)、內(nèi)傳壓活塞、外筒密封圈以及外傳壓活塞，模具內(nèi)筒中間是兩個(gè)相對安裝的內(nèi)筒密封塞，兩個(gè)內(nèi)筒密封塞之間是一個(gè)用于儲存液體的空間，內(nèi)筒密封塞外側(cè)依次設(shè)有內(nèi)筒密封圈和密封塞壓環(huán)，裝有內(nèi)筒密封塞、內(nèi)筒密封圈和密封塞壓環(huán)的模具內(nèi)筒套裝在模具外筒內(nèi)；模具外筒內(nèi)兩端分別設(shè)有內(nèi)傳壓活塞和外傳壓活塞，內(nèi)傳壓活塞和外傳壓活塞之間設(shè)有外筒密封圈，模具外筒外表面上設(shè)有加熱管。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于液相反應(yīng)、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具，其特征在于，模具外筒由模具外筒內(nèi)層和模具外筒外層組成，根據(jù)工作壓力的要求，模具外筒可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是雙層或多層結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于液相反應(yīng)、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具，其特征在于，內(nèi)筒密封圈和外筒密封圈可以是由較軟的材料構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)，也可以是由軟、硬度不同的兩種材料構(gòu)成的上下兩層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種用于液相反應(yīng)、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具，其特征在于，由耐熱耐腐蝕材料構(gòu)成的內(nèi)筒密封塞上設(shè)有螺桿，該螺桿穿過密封塞壓環(huán)，用預(yù)拉緊螺母旋擰在螺桿上將內(nèi)筒密封塞、內(nèi)筒密封圈和密封塞壓環(huán)三者固定連接成一體。
5.如權(quán)利要求1所述的一種用于液相反應(yīng)、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具，其特征在于，由高強(qiáng)度耐壓材料構(gòu)成的外傳壓活塞的下部中央設(shè)有一個(gè)圓形洞。
6.如權(quán)利要求1所述的一種用于液相反應(yīng)、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具，其特征在于，由高強(qiáng)度耐壓材料構(gòu)成的內(nèi)傳壓活塞下部中央和下部周圍設(shè)有用于儲存液體的空間，上部中央設(shè)有一個(gè)與內(nèi)傳壓活塞成一體的圓柱體，安裝后，該圓柱體位于外傳壓活塞下部中央的圓形洞內(nèi)。
全文摘要
一種用于液相反應(yīng)、物相轉(zhuǎn)變和制備多孔固化體的組合模具，包括模具外筒、模具內(nèi)筒、內(nèi)筒密封塞、內(nèi)筒密封圈、密封塞壓環(huán)、內(nèi)傳壓活塞、外筒密封圈和外傳壓活塞，內(nèi)筒中間是兩個(gè)相對安裝的內(nèi)筒密封塞，兩個(gè)內(nèi)筒密封塞之間是一個(gè)用于儲存液體的空間，內(nèi)筒密封塞外側(cè)依次設(shè)有內(nèi)筒密封圈和密封塞壓環(huán)，裝有內(nèi)筒密封塞、內(nèi)筒密封圈和密封塞壓環(huán)的內(nèi)筒套裝在模具外筒內(nèi)；外筒內(nèi)兩端分別設(shè)有內(nèi)傳壓活塞和外傳壓活塞，內(nèi)外兩個(gè)傳壓活塞之間設(shè)有外筒密封圈，模具外筒外表面上設(shè)有加熱管。利用這種模具，可以得到通常條件下無法制備的新物質(zhì)和新物相，還可用于制備多孔固化體，在新材料制備、化工生產(chǎn)以及新型功能材料和器件研制等領(lǐng)域具有十分廣泛的用途。
文檔編號B01J3/06GK1736572SQ20051004432
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者崔得良, 孟憲平, 李梅, 孫海燕, 蔣民華 申請人:山東大學(xué)