專利名稱：改進(jìn)的壓力容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及壓力容器，更具體地說，本發(fā)明涉及在一種超臨界的流體中處理至少一種材料的改進(jìn)的壓力容器。
背景技術(shù)：
許多化學(xué)或材料合成過程可以很好地在裝有固體、液體或氣體介質(zhì)的一個容器或隔室內(nèi)，在高壓和高溫下進(jìn)行。當(dāng)該介質(zhì)在室溫下為固體時，可以使用眾所周知的隔室設(shè)計(例如在商業(yè)合成鉆石制造中使用的設(shè)計)。當(dāng)在室溫下該介質(zhì)為液體或氣體時，可以在高壓釜(autoclave)中高達(dá)幾千帕(kbar)的壓力下進(jìn)行反應(yīng)。然而，目前還沒有適當(dāng)?shù)母邏焊O(shè)計，可以在不是惰性氣體的介質(zhì)中以及在超過幾個千帕的壓力下進(jìn)行處理。
在要求更高壓力的情況下，將反應(yīng)物和溶劑密封在一個包囊內(nèi)，然后承受由壓力機(例如活塞氣缸式壓力機，皮帶式單軸壓力機或多砧座式壓力機)施加的外部壓力。如果外加的壓力不夠，則該包囊爆裂。相反，如果外部壓力太大，則該包囊被壓扁。在兩種情況下，該反應(yīng)物和溶劑從該包囊中釋出，并滲入加壓的隔室或容器中。
在高壓、高溫條件下處理材料的本方法一般使用充滿反應(yīng)物和溶劑并繼而密封的包囊。因為沒有一般的可采用的從包囊中排除空氣的方法，因此，通常該充滿的工序是在周圍條件下進(jìn)行的。結(jié)果，該過程可受到在充滿過程中進(jìn)入該包囊中的空氣的污染。
材料不能在大致上沒有空氣的環(huán)境中，在高壓、高溫條件下進(jìn)行處理。因此需要一種可以在高壓、高溫條件下處理材料的改進(jìn)的壓力容器。更具體地說，需要在處理壓力超過幾個千帕的條件下，可以用液體，氣體或超臨界流體處理材料的一種壓力容器。還需要一種可以在高壓、高溫條件下，在沒有空氣的環(huán)境中處理材料的壓力容器。

發(fā)明內(nèi)容
通過提供一種在高壓高溫條件下，在大致上沒有空氣的環(huán)境中，使至少一種材料與超臨界流體起反應(yīng)的壓力容器，本發(fā)明可滿足這些和其他要求，該裝置還包括一個自行加壓的容器，在該容器中進(jìn)行反應(yīng)，并對實際的處理壓力不敏感。本發(fā)明還包括使用該壓力容器，在高溫高壓下，在存在超臨界流體條件下，在該壓力容器內(nèi)處理材料的方法。
因此，本發(fā)明的一個方面提供了一種在超臨界流體中處理至少一種材料的壓力容器。所述壓力容器包括在大致上沒有空氣的環(huán)境中，容納所述至少一種材料和所述超臨界流體的一個包囊，所述包囊是自行加壓的；用于保持在所述包囊上的外壓力的一個壓力傳遞介質(zhì)，所述壓力傳遞介質(zhì)包圍所述包囊；加熱所述包囊的一個加熱系統(tǒng)，所述加熱系統(tǒng)包括可插入所述壓力傳遞介質(zhì)中的至少一個加熱元件，使所述至少一個加熱元件接近所述包囊，以及一個功率控制系統(tǒng)，它與所述至少一個加熱元件電連接，所述功率控制系統(tǒng)為所述至少一個加熱元件提供電力；一個容納和將所述包囊，所述壓力傳遞介質(zhì)和所述至少一個加熱元件保持在適當(dāng)位置的限制器，所述限制器在恒定壓力下保持所述包囊，所述壓力傳遞介質(zhì)和所述至少一個加熱元件；用于防止所述壓力傳遞介質(zhì)逸出的至少一個密封，所述至少一個密封放置在所述限制器和所述壓力傳遞介質(zhì)之間。
本發(fā)明的第二個方面提供了一種用于在大致上沒有空氣的環(huán)境中容納至少一種材料和超臨界流體的包囊。所述包囊具有至少一個壁，一個封閉端，和限定一個用于容納所述至少一種材料和所述超臨界流體的腔的一個密封端，其中所述包囊為自行加壓的。
本發(fā)明的第三個方面提供了一種在超臨界流體中處理至少一種材料的壓力容器，所述壓力容器包括在大致上沒有空氣的環(huán)境中，容納所述至少一種材料和所述超臨界流體的一個包囊，其中所述包囊具有至少一個壁，一個封閉端，和限定一個用于容納所述至少一種材料和所述超臨界流體的腔的一個密封端，并且其中所述包囊為自行加壓的；用于保持所述包囊上的外壓力的一個壓力傳遞介質(zhì)，所述壓力傳遞介質(zhì)包圍所述包囊；加熱所述包囊的一個加熱系統(tǒng)，所述加熱系統(tǒng)包括可插入所述壓力傳遞介質(zhì)中的至少一個加熱元件，使所述至少一個加熱元件接近所述包囊；包括至少一個接近所述包囊放置的、用于測定所述包囊的溫度的溫度傳感器；一個電氣上與所述至少一個加熱元件和至少一個溫度傳感器連接的功率控制系統(tǒng)，其中所述功率控制系統(tǒng)向所述至少一個加熱元件提供電力并控制溫度；一個容納和將所述包囊，所述壓力傳遞介質(zhì)和所述至少一個加熱元件保持在適當(dāng)位置的限制器，其中所述限制器在恒定壓力下保持所述包囊，所述壓力傳遞介質(zhì)，和所述至少一個加熱元件；用于防止所述壓力傳遞介質(zhì)逸出的至少一個密封，所述至少一個密封放置在所述限制器和所述壓力傳遞介質(zhì)之間。
本發(fā)明的第四方面提供了在高溫和高壓下，在存在超臨界流體的條件下，使用壓力容器處理至少一種材料的一種方法，該方法包括下列步驟提供容納所述至少一種材料和形成超臨界流體的溶劑的一個密封包囊，其中該包囊是自行加壓的；提供一個壓力容器，包括一個用于容納該密封包囊的限制器，一個放置在壓力容器內(nèi)的壓力傳遞介質(zhì)，和至少一個放置在壓力傳遞介質(zhì)內(nèi)并和功率控制系統(tǒng)電連接的加熱元件；將該密封包囊放在該壓力傳遞介質(zhì)中，使該密封包囊接近該至少一個加熱元件；將容納該壓力傳遞介質(zhì)，該密封包囊和該至少一個加熱元件的壓力容器放在壓力機中；給壓力機加壓，將預(yù)定的壓力加在該壓力容器，該壓力傳遞介質(zhì)，該密封包囊和該至少一個加熱元件上；從該功率控制系統(tǒng)將電力送至該至少一個加熱元件上，將該密封的包囊加熱至預(yù)定的溫度，其中放在該密封包囊內(nèi)的溶劑成為超臨界流體，其中在該密封的包囊內(nèi)該超臨界流體產(chǎn)生預(yù)定的壓力；通過該限制器保持一相等的壓力，并通過該壓力傳遞介質(zhì)傳遞該等價壓力，以平衡該密封包囊內(nèi)的該預(yù)定的壓力，其中該至少一種材料在高溫和高壓和超臨界流體存在的條件下被處理。
本發(fā)明的第五個方面提供了在高溫和高壓下，在有超臨界流體的條件下處理至少一種材料的一種方法，該方法包括下列步驟提供容納該至少一種材料和形成超臨界流體的溶劑的一個密封包囊，其中該包囊是自行加壓的；提供包括一個限制器，放在該限制器內(nèi)的壓力傳遞介質(zhì)和放在該限制器內(nèi)的至少一個加熱元件的壓力容器；將該密封包囊放在該壓力傳遞介質(zhì)中，使該密封包囊接近該至少一個加熱元件；通過將電力送至該至少一個加熱元件，將該密封的包囊加熱至預(yù)定的溫度，其中容納在該密封包囊內(nèi)的溶劑變成超臨界流體，其中該超臨界流體在該密封包囊內(nèi)產(chǎn)生預(yù)定的壓力；通過該限制器保持一等價的壓力，并通過該壓力傳遞介質(zhì)傳遞該等價壓力以平衡在該密封包囊內(nèi)的該預(yù)定壓力，其中在高溫和高壓下，該至少一種材料在該密封包囊內(nèi)與該超臨界流體發(fā)生反應(yīng)。
本發(fā)明的第六個方面提供了一種金屬氮化物的單一晶體。該金屬氮化物單一晶體是這樣制成的將金屬氮化物源材料和溶劑放入一個密封的自行加壓的包囊內(nèi)；將該密封包囊放入一個壓力容器內(nèi)，該壓力容器包括一個限制器，放在該限制器內(nèi)的壓力傳遞介質(zhì)，和放在該限制器內(nèi)的至少一個加熱元件的；加熱該密封包囊至預(yù)定的溫度，其中容納在該密封的包囊內(nèi)的溶劑變成超臨界流體，并在該密封包囊內(nèi)產(chǎn)生預(yù)定的壓力；并通過施加由該限制器提供的壓力至該密封包囊而平衡在該密封包囊內(nèi)的該預(yù)定壓力。
本發(fā)明的這些和其他方面、優(yōu)點和突出特點，從以下的詳細(xì)說明、附圖和所附權(quán)利要求書中將會了解。


圖1為本發(fā)明的壓力容器組件的示意圖，其中，限制器包括一臺帶有一對沖頭和一個沖模的水壓機；圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包囊的示意圖；圖3為本發(fā)明的壓力容器的示意圖，其中，限制器包括一臺多砧座式壓力機；和圖4為本發(fā)明的壓力容器的示意圖，其中，限制器包括一個沖模和增強的端面法蘭。
具體實施例方式
在以下的說明中，在圖中所示的幾個視圖中，相同的符號表示相同或相應(yīng)的零件。還應(yīng)理解，例如“頂部”、“底部”、“向外”、“向內(nèi)”等術(shù)語為方便用語，不是限制性術(shù)語。
參見附圖，特別是圖1，應(yīng)了解，一般這些圖是為了說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例，而不是限制本發(fā)明。圖1表示在超臨界流體中，用于處理至少一種材料的壓力容器裝置10(也稱為“壓力容器”)。壓力容器10包括一個隔室。在該隔室內(nèi)放置一個用于容納該至少一種材料和溶劑的密封的自行加壓的包囊12。該溶劑在高溫和高壓(也稱為“HPHT”)下變成一種超臨界流體。HPHT條件包括溫度大于大約100℃，壓力大于大約1atm。放置在該隔室中的一種壓力傳遞介質(zhì)14包圍該自行加壓的包囊12，并保持在該自行加壓的包囊12上的外壓力，以防止該自行加壓的包囊12破裂或爆裂。用于處理該至少一種材料所必需的高壓，在該自行加壓的包囊12本身內(nèi)產(chǎn)生，而不是從外部加在該包囊上的必需壓力。當(dāng)該包囊加熱時，溶劑的蒸氣壓力增加。在給定溫度下的該溶劑的蒸氣壓力和存在于該包囊內(nèi)的溶劑數(shù)量(也稱為“百分率充滿”)是可以從該溶劑的相圖確定。在足夠高的溫度和壓力下，該溶劑變成一種超臨界流體。當(dāng)該自行加壓的包囊12內(nèi)的內(nèi)部壓力增加時，該自行加壓的包囊12的壁向外變形，并壓在該壓力傳遞介質(zhì)14上。
在該至少一種材料在超臨界流體中被處理的溫度以下，該壓力傳遞介質(zhì)14是熱穩(wěn)定的。即該壓力傳遞介質(zhì)14不會分解，或與該壓力容器10的其他部件起反應(yīng)或轉(zhuǎn)換為固態(tài)相。優(yōu)選的，該壓力傳遞介質(zhì)14在處理溫度下保持為固體，并具有較低的抗剪強度和內(nèi)摩擦。例如，內(nèi)摩擦系數(shù)小于大約0.2。為了避免在該隔室中引入過大的孔隙度，當(dāng)將該壓力傳遞介質(zhì)14放入壓力容器10的隔室中時，希望將該壓力傳遞介質(zhì)14壓實至大于其理論密度的大約85％。優(yōu)選的，該壓力傳遞介質(zhì)在大約1000℃以下，更優(yōu)選的是大約1300℃以下仍為固體。在一個實施例中，該壓力傳遞介質(zhì)14包括至少一種堿鹵化物(例如NaCl，NaBr或NaF)。氯化鈉在接近其熔點的溫度下性能特別好，該熔點在大約10～20kbar的壓力下大約為1000～1150℃。另一種方案是，該壓力傳遞介質(zhì)14可以包括滑石粉、葉蠟石、鉬、二硫化物、石墨、六角形氮化硼、氯化銀、氟化鈣、氟化鍶、碳酸鈣、氧化鎂、氧化鋯、梅嶺(merylinite)粘土，膨潤土粘土和硅酸鈉中的至少一種。
至少一個加熱元件18放置在該隔室內(nèi)，并接近該自行加壓包囊12。該至少一個加熱元件18包括石墨、鎳鉻合金、鈮、鈦、鉭、不銹鋼、鎳、鉻、鋯、鉬、鎢、錸、鉿、鉑、碳化硅和它們的組合中的至少一種。該至少一個加熱元件18的形式可以為電阻加熱管、箔、帶、桿、線或它們的組合中的至少一種。
功率控制系統(tǒng)16電氣上與該至少一個加熱元件18連接，給加熱該自行加壓包囊12提供電力。另外，該功率控制系統(tǒng)16可以直接或間接控制該自行加壓包囊12的溫度。在一個實施例中，該功率控制系統(tǒng)16包括一個給該至少一個加熱無件18供電和控制它的控制器22。優(yōu)選的，控制器22對加熱功率進(jìn)行閉環(huán)控制。在一個實施例中，該功率控制系統(tǒng)16包括至少一個溫度傳感器20，用與產(chǎn)生與該自行加壓包囊12相關(guān)的溫度信號。在另一個實施例中。該功率控制器根據(jù)從該溫度傳感器20產(chǎn)生的溫度信號，進(jìn)行閉環(huán)溫度控制。在一個實施例中，該至少一個溫度傳感器20靠近，優(yōu)選的是直接與該自行加壓的包囊接觸。該溫度傳感器20可以包括熱電偶、熱敏電阻，與光學(xué)高溫計連接的光纖，或它們的任何組合中的至少一種。
對于一些在高壓和高溫下處理的超臨界流體形式，希望該隔室為等溫的。然而，在其他應(yīng)用場合中，希望該自行加壓的包囊12的兩個末端之間有溫度梯度。例如，晶體生長就是希望具有溫度梯度的應(yīng)用中的一種應(yīng)用。在一個實施例中，通過將該自行加壓的包囊12放置為比另一端更接近該隔室一端，可以達(dá)到該溫度梯度。另一種方案是，通過提供至少一個沿其長度電阻率不均勻的加熱元件18來達(dá)到該溫度梯度。該至少一個加熱元件18的不均勻的電阻率可以通過下列方法達(dá)到提供至少一個厚度不均勻的加熱元件18，在選擇的點上在該至少一個加熱元件18上穿孔；或在提供包括沿著該至少一個加熱元件18的長度的選擇的點上具有至少兩種電阻率不同的材料的層壓件的至少一個加熱元件18。在一個實施例中，為了測量和控制該自行加壓的包囊12的兩個相反末端之間的溫度梯度，提供至少兩個獨立的溫度傳感器。在一個實施例中，在該隔室內(nèi)的至少兩個位置上，形成閉環(huán)溫度控制。該至少一個加熱元件18還可包括可以單個地供電，以在該自行加壓的包囊12的兩個末端之間得到所希望的溫度梯度的多個區(qū)域。
設(shè)置了一個限制器24，以便將補償壓力施加在該壓力傳遞介質(zhì)14的外表面上，用于在處理過程中，將該自行加壓的包囊12，該壓力傳遞介質(zhì)14，該至少一個加熱元件18，另外還有該溫度傳感器20保持在適當(dāng)位置(即保持相對位置)，防止彼此偏移。通過平衡在高溫下，在該自行加壓的包囊12內(nèi)產(chǎn)生的壓力，該限制器24還可以防止該自行加壓的包囊12爆裂。在處理過程中，限制器24使單個零件(即壓力傳遞介質(zhì)14和包囊12)保持互相相對的位置。該限制器24將在室溫下作用小于大約1kbar的外部壓力在該自行加壓的包囊12上。
該自行加壓的包囊12可自行加壓至大約1atm(≈1bar)～80kbar。在一個實施例中，該自行加壓包囊12加壓至大約5～80kbar。在另一個實施例中，該自行加壓包囊12加壓至大約5～60kbar。該自行加壓的包囊12一般由有延展性的金屬制成(但不限于此)，例如銅、銀、金、鉑、不銹鋼等。另外，該自行加壓包囊12通常具有低的氫滲透性，并且化學(xué)上相對于該超臨界流體和要在該自行加壓包囊12內(nèi)處理的材料是惰性的。
如圖2所示，在本發(fā)明的一個實施例中，該自行加壓的包囊12包括一個環(huán)形殼體50，該殼體50具有限定一個內(nèi)腔或腔54的壁52，一個封閉端58和一個密封端56。一般外壁52，封閉端58和密封端56中的每個的厚度在大約0.5～25mm范圍內(nèi)。在將要在HPHT條件下進(jìn)行處理的至少一種材料和溶劑放入該內(nèi)腔54中后，再形成該密封端56。當(dāng)保持該內(nèi)腔54在真空或在或包括溶劑蒸氣，惰性氣體或它們的組合的空氣中時，形成該密封端56。該自行加壓包囊12還可以包括一塊隔板(沒有示出)，將該內(nèi)腔54分成多于1個部分，各個部分互相通過在該隔板上的通孔流體連通。這樣，密封后，該內(nèi)腔54形成一個沒有空氣的環(huán)境，可用于在HPHT條件下，在存在超臨界流體時處理該至少一種材料。結(jié)果，可以減小處理該至少一種材料時被污染的危險。
在另一個實施例中，該自行加壓包囊12包括一個中性的襯套60，它在將該至少一種材料和溶劑放入該自行加壓包囊12中以前，可滑動地插入在該內(nèi)部腔54中。該中性的襯套60起附加壁壘作用，以防止或減小該至少一種材料、溶劑或超臨界流體對該自行加壓包囊的化學(xué)侵蝕。一般，該中性的襯套60的厚度為大約1微米～大約5mm。該中性的襯套60由與該自行加壓包囊12的材料不同的材料制成，并包括金、鉑、銠、鈀、銀、銥、釕、二氧化硅和它們的組合中的至少一種。
在2002年1月31日由Markphilip D′Evelyn等人提出的題為“在超臨界流體中處理材料用的高溫高壓包囊”的美國專利申請09/683659號中，更詳細(xì)地說明了該自行加壓包囊和充滿與密封該自行加壓包囊的方法。在此引用該專利的全部以供參考。
如上所述，為了將該自行加壓的包囊12和壓力傳遞介質(zhì)14保持在適當(dāng)位置，放置一個限制器24(圖1)，將平衡或補償壓力加在該壓力傳遞介質(zhì)14的外表面上。該限制器24可以包括任何數(shù)目的復(fù)合裝置，例如(但不是局限于)水壓機、平板、壓板、皮帶、沖模、沖頭、砧座、活塞等。
在一個實施例中，該限制器24包括一個單軸的水壓機(沒有示出)，一對相對的沖頭(例如頂部沖頭100和底部沖頭102)，一個沖模104和至少一個壓緊環(huán)106。優(yōu)選的，該頂部沖頭100和底部沖頭102為平底沖頭。砧座可以代替該相對的沖頭。該至少一個壓緊環(huán)106一般由淬硬鋼制造。并用于壓緊沖模104，允許在該自行加壓包囊12內(nèi)產(chǎn)生更大的內(nèi)部壓力而不會使該沖模104損壞。在該沖模104和該至少一個壓緊環(huán)106之間可選的放置一個冷卻套筒108，以有效地冷卻該沖模104。該冷卻套筒108可以容納至少一個冷卻介質(zhì)通過它循環(huán)的冷卻通道。該冷卻介質(zhì)可以為氣體(例如氬、氦、氮等)，或為液體(例如-但不限于-水、鹽水、水和乙二醇的混合物等)。在工作中，沖模104被該至少一個壓緊環(huán)106包圍，并放置在該底部沖頭102上。不被或除了被該壓緊環(huán)106包圍以外，該沖模104可以包含在至少一條拉伸纏繞的鋼絲和至少一條鋼帶及它們的組合內(nèi)。一般，沖模104為一個直壁式?jīng)_模，它可由各種材料制成，這些材料包括(但不限于)膠結(jié)(cemented)的碳化鎢和淬硬鋼。另一種方案是，該沖模104可以具有傾斜的壁或凹形壁，而該沖模104的中心部分的內(nèi)徑比該沖模104的末端附近的內(nèi)徑小。一般為氯化鈉(NaCl)的壓力傳遞介質(zhì)放在該沖模104內(nèi)。為了減小該壓力傳遞介質(zhì)14和沖模104之間的化學(xué)反應(yīng)性和摩擦，在該壓力傳遞介質(zhì)14和沖模104之間可以放置至少一個襯套或潤滑劑。合適的襯套或潤滑劑材料包括(但不限于)鉛箔、金、銀、銅、滑石粉、葉蠟石、二硫化鉬、石墨、六角形氮化硼、氯化銀、碳酸鈣、氧化鎂、氧化鋯、梅嶺粘土、膨潤土粘土和硅酸鈉。接著，將該至少一個加熱元件18和至少一個溫度傳感器20插入該壓力傳遞介質(zhì)14中。將容納至少一種反應(yīng)物和在高溫和高壓下變成超臨界流體的溶劑的該自行加壓包囊12插入該壓力傳遞介質(zhì)14中。優(yōu)選的，將該頂部沖頭102放在該沖模的頂部，以封閉該壓力容器裝置10。
裝配后，將該壓力容器裝置10移動至單軸水壓機中，將壓力加在該壓力機的相對的頂部和底部沖頭100、102上。開始，可將該壓力機加載至全力。另一種方案是，為了壓實部件(例如壓力傳遞介質(zhì)14，頂部墊片124和底部墊片126)并密封壓力容器10，可以將力加至預(yù)定的水平，或至得到所選的沖程。為了保持壓力機不受沖擊(即改變頂部和底部沖頭100和102的移動位置)，從而將該頂部和底部沖頭100和102保持在固定或恒定位置，當(dāng)加熱該自行加壓包囊12時，可再加上附加的力。在較低溫度下，在該自行加壓包囊12內(nèi)只有適量的內(nèi)部壓力(例如，小于大約1kbar)，而實際上，整個沖頭的負(fù)荷都加在該沖模104上。比如使電流在該頂部和底部沖頭100和102之間通過，并通過加熱元件18，可加熱該自行加壓包囊12。當(dāng)加熱該自行加壓包囊12時，該溶劑開始蒸發(fā)，并隨著溫度的升高，變成超臨界流體。相應(yīng)地，在該自行加壓包囊12內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部壓力。通過所選的來處理的該至少一種材料的溶劑的相圖，可以確定在給定溫度下，在該自行加壓包囊12內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)部壓力的實際大小。該自行加壓包囊12向外變形，給該壓力傳遞介質(zhì)14加載，并反過來再將壓力作用在該頂部沖頭100的下部和該底部沖頭102的頂部上。當(dāng)該包囊和壓力傳遞介質(zhì)內(nèi)的內(nèi)部壓力增大時，沖頭負(fù)載增加的部分與該內(nèi)部壓力平衡或補償該內(nèi)部壓力。然而，沖頭負(fù)載的大部分(即至少大約30％)留在沖頭104上，以減小沖模104中的縱向或軸向應(yīng)力。
HPHT裝置的性能可用其壓力響應(yīng)來表征。壓力響應(yīng)的定義為相對于參考工作條件，產(chǎn)生增大的隔室壓力的壓力機力的百分率增長除以隔室壓力的百分率增長。在通常的HPHT裝置中，一般壓力響應(yīng)高，其范圍從活塞氣缸式壓力機的接近1變化至皮帶式壓力機和多砧座式壓力機的大約50％。在這種情況下，為了防止該包囊爆裂或被壓扁，需要精確控制通過壓力機的力加在該包囊上的壓力。
與通常的HPHT裝置相反，本發(fā)明的壓力容器裝置10為“零沖擊”裝置，其壓力響應(yīng)在0.2以下，更優(yōu)選的在0.05以下。零沖擊裝置在超臨界流體處理應(yīng)用中更容易控制，并能捕捉或包含在該包囊內(nèi)產(chǎn)生的壓力，而很少或不會壓扁它。雖然在工作過程中可以出現(xiàn)一些沖擊(例如，沖頭或砧座之間的分離的增加或減小)，但沖擊的程度比先前設(shè)計小得多。
由于本發(fā)明的壓力容器裝置10的幾何形狀，沖頭上負(fù)載的增加幾乎完全被該沖模104承受，而隔室壓力的增加很小。因此，在工作過程中，該壓力容器裝置10的最后壓力響應(yīng)值在0.2以下，更有可能在0.05以下。
在一個實施例中，分別在頂部和底部沖頭100、102與壓力傳遞介質(zhì)14之間放置一個頂部密封120和底部密封122，以防止該壓力傳遞介質(zhì)14逸出。一般，該頂部和底部密封120、122包括鋼制的端蓋，它們與黃銅或另一種同樣可變形的材料制成的圓環(huán)配合。該頂部和底部密封120、122中的至少一個密封由一個套筒128隔開，不與沖模104接觸，以防止在沖模104和該至少一個加熱元件18或?qū)⒃撝辽僖粋€加熱元件18與功率源連接的電氣引線之間產(chǎn)生電氣短路。在工作條件下，該絕緣套筒的內(nèi)摩擦系數(shù)大約為0.2～0.7，或更優(yōu)選的大約為0.25～0.5。該絕緣套筒包括葉蠟石、滑石粉、橄欖石、氧化鎂、碳酸鈣、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、夾布膠木和相似的膠合紙合成物(a glued paper composite)，梅嶺粘土，膨潤土粘土，硅酸鈉和六角形的氮化硼中的至少一種。
頂部墊片124和底部墊片126一般分別放置在頂部沖頭100和沖模104，以及底部沖頭102和沖模104之間。另一種方案是，該頂部墊片124和底部墊片126可以分別放置在該頂部沖頭100和頂部密封120，與底部沖頭102和底部密封122之間。頂部墊片124和底部墊片126中至少一個墊片為電氣絕緣體。因此該沖模104不能使該至少一個加熱元件18電氣短路。在一個實施例中，該絕緣墊片包括天然或合成橡膠、Mylar(聚酯薄膜)、聚酰亞胺、Teflon(碳氟聚合物、四氟乙烯碳氟化合物(tetrafluoroethylene fluorocarbons)、氟化乙烯-丙烯等)，葉蠟石、滑石粉、橄欖石、氧化鎂、碳酸鈣、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、夾布膠木和相似的膠合紙合成物，梅嶺粘土、膨潤土粘土、硅酸鈉和六角形的氮化硼中的至少一種。在一個實施例中，非絕緣的或?qū)щ姷膲|片包括銅、黃銅、鉬、石墨、鎳、鈷、鐵和不銹鋼中的至少一種。在頂部墊片124放在頂部沖頭100和頂部密封120之間，以及底部墊片126放在底部沖頭102與底部密封122之間的一個實施例中，形成頂部墊片124和底部墊片126，使導(dǎo)電元件130在一個絕緣墊片元件內(nèi)，使電流可從沖頭100流至加熱元件18，而沖模104不引起電氣短路。該導(dǎo)電元件可以包括鉬、石墨、鎢、鉭、鈮、銅、銅合金、鎳、鎢合金、鐵、鐵合金中的至少一種。該絕緣墊片元件包括天然或合成橡膠、Mylar(聚酯薄膜)、聚酰亞胺、Teflon(碳氟聚合物、四氟乙烯碳氟化合物、氟化乙烯-丙烯等)，葉蠟石、滑石粉、橄欖石、氧化鎂、碳酸鈣、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、夾布膠木和相似的膠合紙合成物，梅嶺粘土、膨潤土粘土、硅酸鈉和六角形的氮化硼中的至少一種。在一個實施例中，頂部墊片124和底部墊片126還可作為密封，以防止壓力傳遞介質(zhì)14逸出。
在圖3所示的本發(fā)明的另一個實施例中，該限制器24包括具有至少4個砧座的多砧座式壓力機。在這個實施例中，該自行加壓包囊12，壓力傳遞介質(zhì)14和該至少一個加熱元件18的布局方式與圖1所示相同，但它們插入具有至少4個砧座的多砧座式壓力機中。該壓力傳遞介質(zhì)14由支承板包圍。當(dāng)該包囊在低溫和內(nèi)部壓力低時，這些支承板支承由壓力機產(chǎn)生的負(fù)載。該支承板彼此由電氣絕緣的墊片材料隔開。該墊片材料包括天然或合成橡膠、Mylar(聚酯薄膜)、聚酰亞胺、Teflon(碳氟聚合物、四氟乙烯、碳氟化合物、氟化乙烯-丙烯等)，葉蠟石、滑石粉、橄欖石、氧化鎂、碳酸鈣、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、夾布膠木和相似的膠合紙合成物，梅嶺粘土、膨潤土粘土、硅酸鈉和六角形的氮化硼中的至少一種。外部壓力可以由4個或更多的獨立砧座或活塞，或由一個放置在單軸壓力機內(nèi)的多砧座式組件，一個裂開球體式壓力機或其他技術(shù)上已知的相似的加壓裝置加在該支承板上。當(dāng)該包囊加熱時，在該自行加壓包囊12內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部壓力，使其壁向外變形，壓在該壓力傳遞介質(zhì)14上。當(dāng)在壓力傳遞介質(zhì)14中產(chǎn)生壓力時，壓力機力增加的部分與該內(nèi)部壓力平衡或補償該內(nèi)部壓力，而壓力機力的減小部分被該支承板支承。隔室壓力大致上不增加，壓力機力的增加大部分被該支承板承受，因此壓力響應(yīng)值小于0.2。
在圖4所示的又一個實施例中，該限制器24包括一個沖模和增強的端部法蘭。該自行加壓包囊12，壓力傳遞介質(zhì)14，加熱器18，頂部密封20，底部密封122和沖模104被該至少一個限制器24包圍，其配置方式與圖1所示相似，但替換為被兩個端部法蘭34包圍。每一個端部法蘭被一個I字梁36或相似的結(jié)構(gòu)支承增強。沖模104由墊片32與端部法蘭34隔開。在一個實施例中，墊片32與沖模104的上表面和下表面接觸，以便容納或防止壓力傳遞介質(zhì)14從沖模104的泄漏。至少一個墊片32包括電氣絕緣部分，以防止在沖模104和至少一個加熱元件18，或連接加熱元件18至功率源的電氣引線之間形成電氣短路。該絕緣墊片材料可以包括天然或合成橡膠、Mylar(聚酯薄膜)、聚酰亞胺、Teflon(碳氟聚合物、四氟乙烯碳氟化合物、氟化乙烯-丙烯等)，葉蠟石、滑石粉、橄欖石、氧化鎂、碳酸鈣、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、夾布膠木和相似的膠合紙合成物，梅嶺粘土、膨潤土粘土、硅酸鈉和六角形的氮化硼中的至少一種。至少一個墊片32可以為導(dǎo)電墊片，或在絕緣墊片內(nèi)包括導(dǎo)電元件130。該導(dǎo)電墊片或?qū)щ娫?30可以包括鉬、石墨、鎢、鉭、鈮、銅、銅合金、鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一種。端部法蘭34利用緊固裝置38互相固定或與沖模組件固定。這種緊固裝置38包括(但不限于)螺栓、螺桿或相似的緊固件。擰緊緊固裝置使端部法蘭34在沖模組件上產(chǎn)生壓緊負(fù)荷。當(dāng)該自行加壓包囊12在低溫且內(nèi)部壓力低時，該端部法蘭34的負(fù)荷幾乎全部被沖模104本身支承。當(dāng)該自行加壓包囊12加熱時，在其內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)部壓力，使得其壁向外變形，壓緊在壓力傳遞介質(zhì)14上。當(dāng)在壓力傳遞介質(zhì)14中產(chǎn)生壓力時，由該端部法蘭34產(chǎn)生的負(fù)載的增大部分，與該自行加壓的包囊12內(nèi)的內(nèi)部壓力平衡或補償該內(nèi)部壓力，而負(fù)載力的降低部分由該沖模104支承。
該壓力容器10可以用于形成材料的單個晶體例如(但不限于)包括氮化鋁，其他氮化物材料等的金屬的氮化物。為了形成這種單個晶體，至少一種原材料和在HPHT條件下變成超臨界流體的一種溶劑密封在該自行加壓的包囊12內(nèi)。然后，將該自行加壓包囊12送至壓力容器裝置10中，并加上使該溶劑變成超臨界流體的HPHT條件。該超臨界流體與該至少一種材料起反應(yīng)，形成單個晶體。
下面的例子可說明本發(fā)明的特點和優(yōu)點，但不是對本發(fā)明的限制。
例1如下這樣制造用在1000噸水壓機中的壓力容器裝置。內(nèi)徑約為2.0英寸，外徑為6.9英寸，高度為3.7英寸的膠結(jié)碳化鎢沖模采用收縮配合裝入一個鋼制的沖模套筒中。該沖模套筒有8個軸向冷卻通道，為該沖模提供水冷。將該沖模和沖模套筒壓入包括外徑分別約為10.7英寸、14.7英寸和19英寸的三個壓配合鋼環(huán)的皮帶中。該沖模，沖模套筒和鋼壓緊圓環(huán)互相接觸，壓緊該沖模。該皮帶組件與第4個鋼制“保護(hù)”環(huán)壓配合，該環(huán)的一個外唇部可允許升高和運輸。內(nèi)表面上加工出通道的黃銅圓環(huán)固定在該沖模套筒的頂部和底部。使該通道與該沖模套筒中的軸向冷卻通道對準(zhǔn)，因此，可以迫使水以盤旋方式流過該通道，進(jìn)行冷卻。為了使水流入和流出該沖模套筒，將銅管銅焊在該上部黃銅圓環(huán)上。砧座表面包括直徑約為3.8英寸，厚度約為1.0英寸的膠結(jié)的碳化鎢圓盤，并與鋼的套筒和一個鋼的支座壓配合。在該砧座表面平面上，該砧座支座的直徑約為5.38英寸。
大約0.20g的AlN粉末和0.10g的NH4F粉末壓成兩個片(pills)，并放入包囊中。將一片放入該包囊的底部，將一塊隔板插入該包囊中，將該包囊內(nèi)部分成兩個腔。然后將第二個片放在該隔板頂部，使兩個片被該隔板隔開。該包囊的內(nèi)徑上包括帶有大約25微米厚的金涂層的銅，其外徑大約為0.5英寸，高度大約為1.3英寸。該包囊中加入大約0.91g的氨水。再將一個金涂層的銅塞壓入該包囊的開放端，以將該包囊密封起來。
再將該密封包囊放在與圖1所示相同的一個裝置中。將該密封包囊插入在該沖模內(nèi)的一個隔室中。將NaCl壓力傳遞介質(zhì)，包括石墨箔、Mo箔和Ta箔的一個3層箔加熱管，復(fù)式K型熱電偶，鋼制端蓋和墊片放在該沖模內(nèi)。封閉在氧化鋁管中的二對熱電偶金屬絲通過在底部砧座中心的一個孔，并通過在底部鋼制端蓋中的一個孔。裸金屬絲再通過在NaCl壓力傳遞介質(zhì)中的一個小孔。一個熱電偶接點或焊縫放置在該銅包囊的底部，而第二個熱電偶的接點在靠近該包囊的頂部，沿著包囊的外徑放置。該底部端蓋由低碳鋼制成，而上部端蓋由不銹鋼制成。上端蓋的下部外徑有一個45°斜角，并與一個黃銅圓環(huán)配合，用以改善對沖模壁的密封。下部端蓋的外徑用一個葉蠟石套筒與該沖模壁隔開。將頂部砧座與該沖模的頂部平面和頂部端蓋隔開的銅墊片形成電氣觸點并可使負(fù)荷分布。底部端蓋直接與該下部砧座接觸。Mylar墊片將該沖模底部與底部砧座隔開。加熱器管由一個含鹽套筒(salting bushing)與沖模壁隔開。石墨粉與NaCl混合，等同加壓并加工以制成該套筒。為了在運轉(zhuǎn)結(jié)束時，在除去隔室過程中減小摩擦，黑色的含鹽套筒的外徑由一個0.002英寸厚的Pb箔與該沖模壁隔開。
使電流通過該加熱器管，將包囊加熱至大約800℃的溫度。將包囊在該溫度下保持大約16小時，然后冷卻。再將隔室從沖模中壓出，在水中溶解該壓力傳遞介質(zhì)。為了減小氨水的蒸氣壓力，將包囊在干冰/丙酮池(bath)中冷卻，并再用錐子刺穿。加溫時，氨水從氣囊中逸出。由于逸出氨水造成的重量損失大約為0.87g，相當(dāng)于在運轉(zhuǎn)結(jié)束時仍在該包囊中的氨水重量。運轉(zhuǎn)前后氨水重量幾乎相等表示在運轉(zhuǎn)過程中，包囊沒有爆裂或嚴(yán)重泄漏，這樣可以在800℃溫度下，在存在溶解的NH4F條件下，在超臨界的氨水中處理AlN粉末。根據(jù)超臨界氨水的相圖，在800℃溫度和充滿氨水的包囊的自由容積的一部分(70％)中，假設(shè)有Born-Habor平衡但忽略溶解的溶質(zhì)的作用，則在800℃下該包囊內(nèi)所產(chǎn)生的壓力大約為10kbar。
雖然為了說明舉出了典型的實施例，但上述說明不是對本發(fā)明范圍的限制。例如，可以使用所述的壓力容器制造除氮化鋁以外的材料的單個晶體。因此，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可作各種修改、改進(jìn)和替換。
權(quán)利要求
1.一種用于在超臨界流體中處理至少一種材料的壓力容器(10)，所述壓力容器(10)包括a)在大致上沒有空氣的環(huán)境中，容納所述至少一種材料和所述超臨界流體的一個包囊(12)，所述包囊(12)是自行加壓的；b)用于保持在所述包囊(12)上的外壓力的一個壓力傳遞介質(zhì)(14)，所述壓力傳遞介質(zhì)(14)包圍所述包囊(12)；c)加熱所述包囊(12)的一個加熱系統(tǒng)；所述加熱系統(tǒng)包括可插入所述壓力傳遞介質(zhì)(14)中的至少一個加熱元件(18)，使所述至少一個加熱元件(18)接近所述包囊(12)；另外，該加熱系統(tǒng)還包括一個功率控制系統(tǒng)(16)，它電氣上與所述至少一個加熱元件(18)連接，其中所述功率控制系統(tǒng)(6)為所述至少一個加熱元件(18)提供電力；d)一個容納和保持所述包囊(12)，所述壓力傳遞介質(zhì)(14)和所述至少一個加熱元件(18)的限制器(24)，其中所述限制器(24)在恒定壓力下保持所述包囊(12)，所述壓力傳遞介質(zhì)(14)，和所述至少一個加熱元件(18)；e)用于防止所述壓力傳遞介質(zhì)選出的至少一個密封(120，122)；所述至少一個密封(120，122)放置在所述限制器(24)和所述壓力傳遞介質(zhì)(14)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的壓力容器(10)，其中所述加熱系統(tǒng)還包括至少一個放置在接近所述包囊(12)處的用于測定所述包囊(12)的溫度的溫度傳感器(20)。
3.如權(quán)利要求2所述的壓力容器(10)，其中所述至少一個溫度傳感器(20)包括熱電偶、熱敏電阻和與一個光學(xué)高溫計連接的光纖中的至少一種。
4.如權(quán)利要求2所述的壓力容器(10)，其中所述功率控制系統(tǒng)(16)根據(jù)由所述至少一個溫度傳感器(20)所產(chǎn)生的至少一個信號，提供閉環(huán)溫度控制。
5.如權(quán)利要求1所述的壓力容器(10)，其中所述至少一個加熱元件(18)為一個電阻加熱元件(18)，它包括至少是一個箔，至少一根管，至少一條帶，至少一根桿和至少一條金屬絲及其組合中的至少一種。
6.如權(quán)利要求1所述的壓力容器(10)，其中所述至少一個加熱元件(18)包括石墨、鎳鉻合金、鈮、鈦、鉭、不銹鋼、鎳、鉻、鋯、鉬、鎢、錸、鉿、鉑、碳化硅和它們的組合中的至少一種。
7.如權(quán)利要求1所述的壓力容器(10)，其中所述加熱系統(tǒng)有區(qū)別地將所述包囊(12)的第一部分加熱至第一個溫度，和將所述包囊(12)的第二部分加熱至第二個溫度。
8.如權(quán)利要求1所述的壓力容器(10)，其中它還包括一個壓板，用于給所述限制器(24)的至少一個部分加載和減少在所述限制器(24)的至少一個部分上的縱向應(yīng)力和軸向應(yīng)力中的至少一種應(yīng)力。
9.如權(quán)利要求8所述的壓力容器(10)，其中它還包括放置在所述壓板和所述限制器(24)的至少一個部分之間的至少一個墊片(124，126)。
10.如權(quán)利要求9所述的壓力容器(10)，其中所述至少一個墊片(124，126)包括一個電氣絕緣墊片，其中所述電氣絕緣墊片為天然或合成橡膠、聚酯薄膜、聚酰亞胺、碳氟聚合物、四氟乙烯碳氟化合物、氟化乙烯-丙烯、葉蠟石、滑石粉、橄欖石、氧化鎂、碳酸鈣、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、夾布膠木、膠合紙合成物，梅嶺粘土、膨潤土粘土、硅酸鈉和六角形的氮化硼中的至少一種。
11.如權(quán)利要求10所述的壓力容器(10)，其中所述至少一個墊片(124，126)包括在所述電氣絕緣墊片內(nèi)的一個導(dǎo)電元件(130)，其中所述導(dǎo)電元件(130)由鉬、石墨、鎢、鉭、鈮、鎳、鎳合金、鐵、鐵合金及其組合中的至少一種制成。
12.如權(quán)利要求9所述的壓力容器(10)，其中所述至少一個墊片(124，126)包括一個導(dǎo)電墊片，其中所述導(dǎo)電墊片由銅、黃銅、鉬、石墨、鎳、鈷、鐵和不銹鋼中至少一種制成。
13.如權(quán)利要求1所述的壓力容器(10)，其中所述至少一個密封(120，122)包括一個頂部密封(120)和一個底部密封(122)。
14.如權(quán)利要求13所述的壓力容器(10)，其中所述頂部密封(120)包括一個頂部端蓋，和所述底部密封(122)包括一個底部端蓋，其中所述頂部端蓋和所述底部端蓋由鋼制成。
15.如權(quán)利要求14述的壓力容器(10)，其中所述頂部端蓋還包括一個可變形的圓環(huán)，用以在所述壓板和所述限制器(24)之間形成密封。
16.如權(quán)利要求1所述的壓力容器(10)，其中所述壓力傳遞介質(zhì)(14)在大約1000℃以下是熱穩(wěn)定的，其內(nèi)部摩擦系數(shù)小于大約0.2。
17.如權(quán)利要求16所述的壓力容器(10)，其中所述壓力傳遞介質(zhì)(14)在大約1300℃以下為固體。
18.如權(quán)利要求16所述的壓力容器(10)，其中所述壓力傳遞介質(zhì)包括堿金屬鹵化物滑石粉、葉蠟石、二硫化鉬、石墨、六角形氮化硼、氯化銀、氟化鈣、氟化鍶、碳酸鈣、氧化鎂、氧化鋯、梅嶺粘土，膨潤土粘土和硅酸鈉中的至少一種。
19.如權(quán)利要求18所述的壓力容器(10)，其中所述壓力傳遞介質(zhì)(14)包括氯化鈉，溴化鈉和氟化鈉中的至少一種。
20.如權(quán)利要求1所述的壓力容器(10)，其中所述限制器(24)包括至少一個沖模(104)，至少一個沖頭(100，102)，和一臺壓力機。
21.如權(quán)利要求20所述的壓力容器(10)，其中它還包括放置在所述至少一個沖模(104)和所述至少一個壓緊環(huán)(106)之間的一個冷卻套筒，其中所述冷卻套筒包括至少一個使冷卻介質(zhì)在其中循環(huán)的冷卻通道。
22.如權(quán)利要求20所述的壓力容器(10)，其中所述至少一個沖模(104)容納在至少一個拉伸卷繞鋼絲和至少一條鋼帶中的至少一個的內(nèi)部中。
23.如權(quán)利要求20所述的壓力容器(10)，其中所述至少一個沖頭(100，102)中的至少一個為平底沖頭，并且其中所述平底沖頭由所述壓力機擠壓在所述至少一個沖模上。
24.如權(quán)利要求20所述的壓力容器(10)，其中所述壓力容器(10)的壓力響應(yīng)小于大約0.2。
25.如權(quán)利要求24所述的壓力容器(10)，其中所述壓力響應(yīng)小于大約0.05。
26.如權(quán)利要求1所述的壓力容器(10)，其中所述限制器(24)包括一臺多砧座式壓力機。
27.如權(quán)利要求26所述的壓力容器(10)，其中所述多砧座壓力機的壓力響應(yīng)小于大約0.2。
28.如權(quán)利要求27所述的壓力容器(10)，其中所述壓力響應(yīng)小于大約0.05。
29.如權(quán)利要求1所述的壓力容器(10)，其中所述限制器(24)包括至少兩個端面法蘭(36)，一個放置在所述至少兩個端面法蘭(36)之間的沖模(104)，和連接所述至少兩個端面法蘭(36)的至少一個緊固件(38)。
30.如權(quán)利要求29所述的壓力容器(10)，其中所述至少兩個端面法蘭(36)中的每一個還包括一個結(jié)構(gòu)支承(34)，用于增強所述至少兩個端面法蘭(36)的每一個。
31.如權(quán)利要求29所述的壓力容器(10)，其中所述結(jié)構(gòu)支承(34)包括一個I字梁。
32.一種用于在大致上沒有空氣的環(huán)境中容納至少一種材料和超臨界流體的包囊(12)，其中所述包囊(12)具有至少一個壁(52)，一個封閉端(58)，和限定用于容納所述至少一種材料和所述超臨界流體的腔(54)的一個密封端(56)，其中所述包囊(10)為自行加壓的。
33.如權(quán)利要求32所述的包囊(12)，其中所述包囊(12)由有延展性的金屬制成，并且其中所述包囊(12)的氫滲透性低。
34.如權(quán)利要求32所述的包囊(12)，其中所述包囊(12)由包括不銹鋼，銅，銀，金和鉑中的至少一種的第一種材料制成。
35.如權(quán)利要求32所述的包囊(12)，其中所述包囊(12)包括一個插入所述腔(54)中的中性的襯套(60)，其中所述中性的襯套(60)由包括金，鉑，銠，鈀，銀，銥，釕，二氧化硅中的至少一種的第二種材料制成，并且其中所述中性的襯套(60)的厚度約為1微米～5mm；其中所述第二種材料與所述第一種材料不同。
36.如權(quán)利要求32所述的包囊(12)，其中所述至少一個壁(52)，所述封閉端(58)和所述密封端(56)中的每一個的厚度約為0.5～25mm。
37.如權(quán)利要求32所述的包囊(12)，其中所述包囊(12)可以從大約1bar自行加壓至大約80kbar以下。
38.如權(quán)利要求37所述的包囊(12)，其中所述包囊(12)可自行加壓至大約5～80kbar。
39.如權(quán)利要求37所述的包囊(12)，其中所述包囊(12)可自行加壓至大約5～60kbar。
40.在高溫和高壓下，在有超臨界流體的條件下，使用壓力容器(10)處理至少一種材料的一種方法，該方法包括下列步驟a)提供容納該至少一種材料和形成超臨界流體的溶劑的一個密封包囊(12)，其中該包囊(12)是自行加壓的；b)提供包括一個限制器(24)的、用于容納該密封包囊(12)，放在該壓力容器(10)內(nèi)的壓力傳遞介質(zhì)(14)和放在該壓力傳遞介質(zhì)(14)內(nèi)并與一個功率控制系統(tǒng)(16)電連接的至少一個加熱元件(18)的壓力容器(10)；c)將該密封包囊(12)放在該壓力傳遞介質(zhì)(14)中，使該密封包囊(12)接近該至少一個加熱元件(18)；d)將容納該壓力傳遞介質(zhì)(14)，該密封包囊(12)和該至少一個加熱元件(18)的壓力容器(10)放在壓力機中；e)給壓力機加壓，將預(yù)定的壓力加在該壓力容器(10)，該壓力傳遞介質(zhì)(14)，該密封包囊(12)和該至少一個加熱元件(18)上；f)從該功率控制系統(tǒng)(16)將電力送至該至少一個加熱元件(18)上，從而將該密封的包囊(12)加熱至預(yù)定的溫度，其中放在該密封包囊(12)內(nèi)的溶劑成為超臨界流體，和其中在該密封的包囊(12)內(nèi)，該超臨界流體產(chǎn)生預(yù)定的壓力；g)通過保持與該限制器(24)等價的壓力，和通過該壓力傳遞介質(zhì)(14)傳遞該等價壓力以平衡在該密封的包囊(12)內(nèi)的該預(yù)定的壓力，其中在高溫和高壓下，在有超臨界流體的條件下，處理該至少一種材料。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中該限制器(24)包括至少一個沖模(104)，至少一個沖頭(100，102)，和一臺水壓機；并且其中該壓力傳遞介質(zhì)(14)和該至少一個加熱元件(18)放置在該沖模(104)內(nèi)；其中將該密封包囊(12)放置在該壓力容器(10)內(nèi)的步驟包括將該密封的包囊(12)放在該沖模(104)內(nèi)，使該密封包囊(12)接近該至少一個加熱元件(18)。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中該限制器(24)包括一個沖模(104)，一個頂部沖頭(100)和一個底部沖頭(102)，其中該頂部沖頭(100)和該底部沖頭(102)彼此相對，并且其中該給壓力機加壓、將預(yù)定的壓力加在該壓力容器(10)上的步驟包括給該壓力機加壓，將預(yù)定的壓力加在該頂部沖頭(100)和該底部沖頭(102)上。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，其中該給壓力機加壓，將預(yù)定的壓力加在該壓力容器(10)上的步驟包括下列步驟a)給該壓力機加壓，將第一個預(yù)定的壓力加在該頂部沖頭(100)和該底部沖頭(102)上；和b)當(dāng)該包囊(12)加熱和在其內(nèi)部產(chǎn)生壓力時，調(diào)整該預(yù)定的壓力，保持該頂部和底部沖頭(100，102)在固定位置和沖程中的一個上。
44.如權(quán)利要求42所述的方法，其中它還包括將至少一個溫度傳感器(20)插入該壓力容器(10)內(nèi)，使該溫度傳感器(20)靠近該密封的包囊(12)的步驟，其中至少一個溫度傳感器(20)電氣上與該功率控制系統(tǒng)(16)連接。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中該從該功率控制系統(tǒng)(16)將電力送至該至少一個加熱元件(18)的步驟還包括根據(jù)該至少一個溫度傳感器(20)產(chǎn)生的至少一個信號，進(jìn)行閉環(huán)溫度控制。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其中該根據(jù)由該至少一個溫度傳感器(20)產(chǎn)生的至少一個信號進(jìn)行閉環(huán)溫度控制的步驟包括a)根據(jù)接近該密封的包囊(12)的第一個部分的第一個溫度傳感器(20)產(chǎn)生的第一個信號進(jìn)行閉環(huán)溫度控制；和b)根據(jù)接近該密封的包囊(12)的第二個部分的第二個溫度傳感器(20)產(chǎn)生的第二個信號進(jìn)行閉環(huán)溫度控制。
47.在存在超臨界流體條件下，在高溫高壓下處理至少一種材料的方法，該方法包括下列步驟a)提供容納該至少一種材料和形成超臨界流體的溶劑的一個密封包囊(12)，其中該包囊(12)為自行加壓的，b)提供包括一個限制器(24)的、放在該限制器(24)內(nèi)的壓力傳遞介質(zhì)(14)和放在該限制器(24)內(nèi)至少一個加熱元件(18)的壓力容器(10)；c)將該密封包囊(12)放在該壓力傳遞介質(zhì)(14)中，使該密封包囊(12)接近該至少一個加熱元件(18)；d)通過將電力送至該至少一個加熱元件(18)，將該密封的包囊(12)加熱至預(yù)定的溫度，其中容納在該密封的包囊(12)內(nèi)的溶劑變成超臨界流體，其中該超臨界流體在該密封的包囊(12)內(nèi)產(chǎn)生預(yù)定的壓力；和e)通過加壓力至該限制器(24)上，平衡在該密封包囊(12)內(nèi)的該預(yù)定的壓力，其中該至少一種材料與該密封包囊(12)內(nèi)的超臨界流體起反應(yīng)。
48.一種金屬氮化物的單一晶體，其中該金屬氮化物單一晶體是這樣制成的將金屬氮化物源材料和溶劑放入一個密封的自行加壓的包囊(12)內(nèi)；將該密封包囊(12)放入包括一個限制器(24)、放在該限制器(24)內(nèi)的壓力傳遞介質(zhì)(14)和放在該限制器(24)內(nèi)的至少一個加熱元件(18)的壓力容器(10)內(nèi)；加熱該密封包囊(12)至預(yù)定的溫度，其中容納在該密封的包囊(12)內(nèi)的溶劑變成超臨界流體，并在該密封包囊(12)內(nèi)產(chǎn)生預(yù)定的壓力；并通過加壓力至該限制器(24)上而平衡在該密封的包囊(12)內(nèi)的該預(yù)定的壓力；其中在高溫和高壓下，該金屬氮化物源材料與該密封包囊(12)內(nèi)的超臨界流體起反應(yīng)，形成金屬氮化物的單晶體。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中所述金屬氮化物包括氮化鋁。
全文摘要
一種在超臨界流體中處理至少一種材料的壓力容器(10)，包括在大致上沒有空氣的環(huán)境中，容納至少一種材料和所述超臨界流體的一自行加壓的包囊(12)；包圍所述包囊(12)的用于保持該包囊(12)上的外壓力的一壓力傳遞介質(zhì)(14)；可插入所述壓力傳遞介質(zhì)(14)中的至少一個加熱元件(18)，使該加熱元件(18)包圍包囊(12)；用于測量包囊(12)的溫度的一個溫度測量裝置；控制溫度和向加熱元件(18)提供電力的溫度控制器(22)；一個容納和將包囊(12)，壓力傳遞介質(zhì)(14)，加熱元件(18)和放置在限制器(24)和壓力傳遞介質(zhì)(14)之間的至少一個密封(120，122)保持在適當(dāng)?shù)奈恢玫南拗破?24)。還說明了在包囊(12)內(nèi)存在超臨界流體條件下，在高溫和高壓下利用所述壓力容器(10)處理材料的方法。
文檔編號B01J3/06GK1744942SQ02828503
公開日2006年3月8日 申請日期2002年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月31日
發(fā)明者馬克·P·德伊夫林, 克里斯蒂·J·納蘭, 羅伯特·A·吉丁斯, 小羅伯特·V·萊昂尼利, 斯蒂芬·L·多爾 申請人:通用電氣公司