一種含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜，包括置于高壓釜釜體內(nèi)的水熱反應(yīng)容器，該水熱反應(yīng)容器內(nèi)存在溶解區(qū)和結(jié)晶區(qū)，在結(jié)晶區(qū)設(shè)置有利于晶體生長的結(jié)晶部件，該結(jié)晶部件由泡沫金屬制成。通過在結(jié)晶區(qū)中設(shè)置由泡沫金屬制成的結(jié)晶部件，利用泡沫金屬具有的高比表面積等結(jié)構(gòu)特點，產(chǎn)生大量的適宜晶體附著的成核位點，而且泡沫金屬內(nèi)部細(xì)密的網(wǎng)孔能夠起到抓緊晶粒防止其滑落到溶解區(qū)的作用，在吸取傳統(tǒng)溫差式水熱釜中以金屬絲、金屬片作為結(jié)晶承載體的優(yōu)點的同時，解決其有效成核面積小，已長成晶粒掉落，對流過于強烈，輸運受阻等缺陷，極大程度地增加了結(jié)晶效率，并促進(jìn)使晶粒進(jìn)一步長大，同時晶體產(chǎn)量也得到進(jìn)一步提高。
【專利說明】一種含有泡沬金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及人工方法生長晶體的裝置，具體涉及一種含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜。

【背景技術(shù)】
[0002]人工生長晶體方法的研究早在十九世紀(jì)末期就已開始，迄今已有超過百年的歷史，生長單晶的方法主要有助熔劑法、水熱法、氣相法、區(qū)熔法等，其中，水熱法生長出來的晶體具有熱應(yīng)力小、宏觀缺陷小、晶體均勻性好、透過率高等特點。水熱法生長晶體具體是將原料(溶質(zhì))溶解在溶劑中，采取適當(dāng)?shù)拇胧┰斐扇芤旱倪^飽和狀態(tài)(稀薄相飽和蒸汽壓升高)，使固相顆粒在其中成核長大，最終得到完整晶體的方法。
[0003]水熱法具有很多優(yōu)勢，如可以使晶體在遠(yuǎn)低于其熔點的溫度下生長，解決某些晶體不到熔點就分解或遠(yuǎn)低于熔點發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變的難題；水熱法生長晶體過程可以降低溶液粘度，克服某些晶體在熔鹽法生長過程中冷卻粘度大，易于形成玻璃體的缺點；水熱法生長晶體容易生長得到大塊的、均勻性晶體，并且通常都會有較為完整的外形和晶胞；水熱法生長晶體可直接觀察晶體生長過程，有利于準(zhǔn)確研究生長動力學(xué)和熱力學(xué)；但是，還存在以下不足:
[0004]1、在水熱實際生長過程中需要有籽晶創(chuàng)造成核位點來完成晶核的進(jìn)一步長大，而籽晶培育需要很長周期，粒徑尺寸、體積的擴展也耗時耗力，能夠達(dá)到水熱生長使用尺度的籽晶少之又少，更有甚者，一些新型晶體尚無籽晶或很難得到籽晶(無自發(fā)成核的現(xiàn)象)，在實際生長中需要有結(jié)晶裝置完成晶體成核步驟。
[0005]2、在水熱結(jié)晶中，高壓釜內(nèi)部有劇烈的營養(yǎng)鹽輸運過程，輸運是從高壓釜熱端向冷端，營養(yǎng)鹽在冷端冷卻回流至熱端，如此循環(huán)往復(fù)，結(jié)晶過程一般就發(fā)生在營養(yǎng)鹽的冷凝過程(某些晶體有反向溫度系數(shù)，可能在加熱過程結(jié)晶)，現(xiàn)今的高性能高壓釜雖然能準(zhǔn)確控溫，拉開溫差，但是很難做到放大冷凝(加熱)結(jié)晶過程段，減緩釜內(nèi)溶液對流。
[0006]3、為了解決水熱結(jié)晶過程對流劇烈的問題，國內(nèi)外已經(jīng)有在溶解區(qū)和結(jié)晶區(qū)之間加裝內(nèi)擋板設(shè)備，內(nèi)擋板在一定意義上減緩了營養(yǎng)鹽的輸運，放大了冷凝結(jié)晶過程，使結(jié)晶量增加，晶核增大，但是，晶核形成后會隨著重力作用及輸運作用力遷移至溶解區(qū)或擋板位置，晶核利用率并不高。實際生長過程中經(jīng)常會出現(xiàn)晶核難以長大(在釜內(nèi)反復(fù)溶解結(jié)晶)，晶粒阻塞擋板孔造成生長停滯的現(xiàn)象。
[0007]4、已有文獻(xiàn)報道使用經(jīng)過纏繞或折疊的金屬片、金屬絲等來產(chǎn)生結(jié)晶區(qū)域，增大結(jié)合位點面積，雖然起到了承接晶粒、減緩溶液對流的作用，但是金屬片、金屬絲的密度較大，單位比表面積卻很小，匹配晶體晶胞的指數(shù)面利用率依舊不高；另一方面，如果采用大面積的金屬片、金屬絲，會阻礙營養(yǎng)鹽的輸運。
實用新型內(nèi)容
[0008]本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜。采用該高壓釜可以使難結(jié)晶或不結(jié)晶材料更易于形成晶核，并使晶粒更快速地長大，同時提聞晶體的廣量。
[0009]本實用新型所述的含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜，包括置于高壓釜釜體內(nèi)的水熱反應(yīng)容器，該水熱反應(yīng)容器內(nèi)存在溶解區(qū)和結(jié)晶區(qū)，在結(jié)晶區(qū)設(shè)置有利于晶體生長的由泡沫金屬制成的結(jié)晶部件。
[0010]本實用新型所述技術(shù)方案中涉及的泡沫金屬材料具有比重小、高孔隙率、比表面積大和較大孔徑的結(jié)構(gòu)特征。本實用新型在結(jié)晶區(qū)中設(shè)置采用泡沫金屬制成的結(jié)晶部件，利用泡沫金屬具有的高比表面積等結(jié)構(gòu)特點，產(chǎn)生大量的適宜晶體附著的成核位點，而且泡沫金屬內(nèi)部細(xì)密的網(wǎng)孔能夠起到抓緊晶粒的作用，極大程度地增加了結(jié)晶效率，并促進(jìn)使晶粒進(jìn)一步長大，同時晶體廣量也得到進(jìn)一步提聞。
[0011]上述技術(shù)方案中，優(yōu)選采用具有下述結(jié)構(gòu)參數(shù)的泡沫金屬來制作結(jié)晶部件:孔徑為0.01?10mm，孔隙率為50%?98%，通孔率彡90%，體積密度為0.05?lg/cm3，以獲得更高的結(jié)晶效率及晶體產(chǎn)量，同時更利于生長得到更大尺寸的晶體。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述的泡沫金屬通常為泡沫鋁、泡沫銅、泡沫鎳、泡沫鐵、泡沫銀、泡沫金、泡沫鉬或泡沫合金，其中的的泡沫合金具體可以是銅錫泡沫合金、銅鋅泡沫合金、鈦鎳泡沫合金或招鎂泡沫合金等。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述的結(jié)晶部件可以是由泡沫金屬制成的具有各種形狀或結(jié)構(gòu)，空心或?qū)嵭牡牟考Ｓ捎谂菽饘袤w積密度低、質(zhì)輕、易于折疊和裁剪，因而易于將其制作成任意形狀的結(jié)晶部件。具體地，結(jié)晶部件可以是由泡沫金屬制作的呈現(xiàn)出直線結(jié)構(gòu)、片狀結(jié)構(gòu)、盤形結(jié)構(gòu)、齒狀結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、錐狀結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)的任意形狀。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述的結(jié)晶部件可以將通過貴金屬絲連接于水熱反應(yīng)容器的容器蓋上。所述的貴金屬絲通常為金絲、銀絲、鈦絲或鉬絲等。
[0015]本實用新型所述的技術(shù)方案中，除結(jié)晶部件以外的結(jié)構(gòu)均與現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的水熱法高壓釜的結(jié)構(gòu)相同，在此不再一一詳述。本實用新型所述的技術(shù)方案中，所述的水熱反應(yīng)容器為現(xiàn)有技術(shù)中常用的貴金屬襯套管，具體可以是黃金襯套管、銀襯套管或者是鉬金襯套管。
[0016]本實用新型所述的技術(shù)方案中，用泡沫金屬制成的結(jié)晶部件在放入高壓釜進(jìn)行使用之前需要進(jìn)行預(yù)處理，具體的預(yù)處理步驟是:將泡沫金屬制成的結(jié)晶部件先在超聲條件下用無水乙醇清洗，然后用酸液(通常為0.1?lmol/L的鹽酸溶液或硫酸溶液)清洗除氧化膜，再用堿液(通常為0.5?4mol/L的氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液)清洗除油，之后真空干燥即可。對干燥后的結(jié)晶部件進(jìn)行稱重，根據(jù)泡沫金屬的密度換算體積，高壓釜內(nèi)填充溶液時需要扣除結(jié)晶部件占用的體積以免造成壓力失衡。
[0017]本實用新型所述的高壓釜在實際生長晶體時，需要根據(jù)選用的礦化劑來選擇用于制作結(jié)晶部件的泡沫金屬，選擇的原則是所選擇的泡沫金屬不能與水熱反應(yīng)容器中的礦化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的特點在于在結(jié)晶區(qū)中設(shè)置采用泡沫金屬制成的結(jié)晶部件，這產(chǎn)生了以下幾個方面的有益效果:
[0019]首先，泡沫金屬制成的結(jié)晶部件熱傳導(dǎo)性能好，不會造成熱傳遞不均勻，局部過冷過熱等現(xiàn)象，而且能夠耐受:聞溫聞壓聞PH超臨界水熱、溶劑熱環(huán)境，是極度穩(wěn)定的結(jié)晶附著體材料；另外，由于泡沫金屬體積密度低、質(zhì)輕，易于折疊和裁剪，因而易于將其制作成任意形狀的結(jié)晶部件；
[0020]其次，利用泡沫金屬具有的高比表面積等結(jié)構(gòu)特點，產(chǎn)生大量的適宜晶體附著的成核位點，而且泡沫金屬內(nèi)部細(xì)密的網(wǎng)孔能夠起到抓緊晶粒防止其滑落到溶解區(qū)的作用，在吸取傳統(tǒng)溫差式水熱釜中以金屬絲、金屬片作為結(jié)晶承載體的優(yōu)點的同時，解決其有效成核面積小，已長成晶粒掉落，對流過于強烈，輸運受阻等缺陷，極大程度地增加了結(jié)晶效率，并促進(jìn)使晶粒進(jìn)一步長大，同時晶體廣量也得到進(jìn)一步提聞。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型所述的含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為懸掛于襯套管中的幾種泡沫金屬結(jié)晶部件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)晶部件的結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為平面片狀間隔堆疊結(jié)構(gòu)的結(jié)晶部件的結(jié)構(gòu)示意圖，(C)為盤形結(jié)構(gòu)的結(jié)晶部件的結(jié)構(gòu)示意圖；(d)為齒狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶部件的結(jié)構(gòu)示意圖；(e)為空心柱狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶部件的結(jié)構(gòu)示意圖；(f)為直線結(jié)構(gòu)的結(jié)晶部件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中標(biāo)號為:
[0024]I自緊式密封釜塞；2緊固螺栓；3釜蓋；4釜體；5襯套管；6擋板；7結(jié)晶區(qū)；8結(jié)晶部件；9溶解區(qū)；10吊籃。

【具體實施方式】
[0025]下面以具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明，但本實用新型并不局限于這些實施例。
[0026]實施例1:用于水熱法生長晶體的含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜
[0027]如圖1所示，本實用新型所述的含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜，包括釜體4和釜蓋3，釜蓋3上設(shè)有與釜體4內(nèi)腔開口相互配合的自緊式密封釜塞1，所述釜體4和釜蓋3通過緊固螺栓2連接；在高壓釜釜體4內(nèi)腔置有一襯套管5，所述襯套管5的中下部放置有一個在中心和邊緣開孔的擋板6 (開孔率為7?10% )，該擋板6將襯套管5內(nèi)部的空間分隔為下部的溶解區(qū)9和上部的結(jié)晶區(qū)7。在結(jié)晶區(qū)7內(nèi)，由泡沫金屬制成的結(jié)晶部件8通過貴金屬絲懸掛于襯套管5的頂部(如襯套管5的管蓋上)；培養(yǎng)料置于襯套管5的底部(即置于溶解區(qū)9內(nèi))，并在襯套管5內(nèi)填充礦化劑。在高壓釜和襯套管5的夾層中填充一定量的去離子水或蒸餾水，以維持襯套管5內(nèi)外壓力平衡，防止襯套管5破裂或壓癟。如果采用的襯套管5的口徑較大，需要在襯套管5內(nèi)加設(shè)吊籃10，將培養(yǎng)料置于吊籃10中。
[0028]上述實施方式中，培養(yǎng)料和礦化劑根據(jù)要培養(yǎng)的晶體按現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)進(jìn)行選擇。所述的襯套管5可以是黃金襯套管5、銀襯套管5或者是鉬金襯套管5，所述的貴金屬絲可以是金絲、銀絲或鉬絲。所述的結(jié)晶部件8可以是由泡沫金屬制成的具有各種形狀或結(jié)構(gòu)，空心或?qū)嵭牡牟考?，具體地，結(jié)晶部件8可以是由泡沫金屬制作的呈現(xiàn)出直線結(jié)構(gòu)(如圖2(f)、平面片狀間隔堆疊結(jié)構(gòu)(如圖2(b)所示)、盤形結(jié)構(gòu)(如圖2(c)、齒狀結(jié)構(gòu)(如圖2(d)所示)、空心柱狀結(jié)構(gòu)(如圖2(e)所示)、螺旋結(jié)構(gòu)(如圖2(a)所示)或錐狀結(jié)構(gòu)等其它任意形狀。所述的泡沫金屬優(yōu)選具有下述結(jié)構(gòu)參數(shù):孔徑為0.0l?10mm，孔隙率為50%?98%，通孔率彡90%，體積密度為0.05?lg/cm3，具體的可以是具有上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的泡沫招、泡沫銅、泡沫鎳、泡沫鐵、泡沫銀、泡沫金、泡沫鉬或泡沫合金，所述的泡沫合金具體可以是銅錫泡沫合金、銅鋅泡沫合金、鈦鎳泡沫合金或鋁鎂泡沫合金等。
【權(quán)利要求】
1.一種含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜，包括置于高壓釜釜體(4)內(nèi)的水熱反應(yīng)容器，該水熱反應(yīng)容器內(nèi)存在溶解區(qū)(9)和結(jié)晶區(qū)(7)，其特征在于:在結(jié)晶區(qū)(7)設(shè)置有利于晶體生長的由泡沫金屬制成的結(jié)晶部件(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜，其特征在于:所述泡沫金屬的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:孔徑為0.01?10mm，孔隙率為50%?98%，通孔率彡90%，體積密度為0.05?lg/cm3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜，其特征在于:所述的泡沫金屬為泡沫招、泡沫銅、泡沫鎳、泡沫鐵、泡沫銀、泡沫金、泡沫鉬或泡沫合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜，其特征在于:所述的結(jié)晶部件(8)通過貴金屬絲連接于水熱反應(yīng)容器的容器蓋上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含有泡沫金屬結(jié)晶部件的高溫高壓水熱釜，其特征在于:所述的結(jié)晶部件(8)具有直線結(jié)構(gòu)、盤形結(jié)構(gòu)、齒狀結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、錐狀結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)。
【文檔編號】C30B7/10GK204058646SQ201420508099
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】任孟德, 周海濤, 何小玲, 張昌龍, 王金亮, 曾志平, 左艷彬, 李東平, 吳文淵, 林峰, 秦建新 申請人:中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司