[发明专利]采用具有正至中性氧平衡的爆炸配方通过爆炸生成金刚石的方法

说明书

技术领域

本发明涉及从包括了氧化剂(优选二氧化碳)和放热分解所述氧化剂的材料(还原剂)的爆炸过程生成金刚石材料的新型方法，并涉及提高该混合物的冲击敏感性的方法。特别地，本发明涉及采用具有正氧平衡的炸药配方来生成金刚石材料的方法。

背景技术

根据美国矿产品摘要(Mineral Commodity Summaries)在2008年1月的地质调查，美国在2007年的工业金刚石消耗量估计超过了6亿克拉，其价值超过了3亿美元。据显示在工业应用中约90％采用人工金刚石而非天然金刚石，而主要的应用在于研磨行业。金刚石材料被熔合至金属以生成特殊的切割工具。

当足够高的压力将碳原子压紧在一起时便形成金刚石。传统的基于炸药生成工业金刚石的方法基于使用爆炸的压力来将碳原子压紧在一起。通过该方法，碳被物理地加入炸药或含炸药系统中，该炸药爆炸，爆破的压力将添加的碳转化为金刚石尘。

炸药是燃料的可爆炸混合物，通常由碳和氢以及氧源组成。爆炸的废产物主要是二氧化碳、水和各种氮气。

术语“氧平衡”描述了在炸药中将成分转化为CO₂、H₂O、Al₂O₃和其它氧化物所需的氧对燃料的比例。在配方中的氧不足表示氧对于所有燃料而言不足够，或者说具有负氧平衡。由于传统的通过炸药生成金刚石的方法采用了过量的碳，或者不足的氧，该混合物被认为是负氧平衡的。

之前的尝试未能解决减少废产物和从正氧平衡炸药生成工业金刚石产物的问题。例如，本领域已经披露了通过基于负氧平衡的炸药生成工业金刚石(通过向炸药添加碳并引爆该配方得以实现)。

美国专利5,353,708(Stavrev等人)启示了能被用于生成研磨材料的超分散金刚石的生产方法。尽管由Stavrev披露的发明允许生成金刚石，它并未解决生成正氧平衡的问题，因为该有机炸药具有化学计量上的负氧平衡。

美国专利5,916,955(Vereschagin等人)启示了一种通过缺氧炸药的爆炸生成金刚石-碳材料的方法，该材料包含碳、氮、氧和不可燃杂质，且表面包含了甲基、羧基、内酯、醛、醚和醌基团。尽管由Vereschagin披露的发明允许生成金刚石-碳材料，它并未解决生成正氧平衡的问题，因为该炸药具有负氧平衡。

美国专利5,482,695(Guschin等人)启示了生成超硬材料的方法。尽管由Guschin披露的发明允许生成含金刚石材料，它并未解决使用正氧平衡的问题，因为该炸药具有负氧平衡。

此外，在全世界具有多家人工金刚石生产商，他们的产品包括金刚石磨浆、悬浮液和润滑剂，以及用于多种其它应用的产品。所需要的是一种生成工业金刚石的经济方法，该方法消耗温室气体二氧化碳，还可用于减少产品(例如汽油、油和润滑剂)的消耗，该方法可降低生产成本，且有利于环境。

发明综述

本发明的一个目标在于提供从炸药配方生成金刚石材料的方法，该炸药配方具有正氧平衡，优选地采用二氧化碳作为氧源，还具有还原剂例如金属镁粉，其在爆炸时放热分解该氧化剂。

本发明的另一目标在于提供减少废产物的生成金刚石的方法。

本发明的另一目标在于提供处理二氧化碳以生成碳产物的具有环境效益的方法。

根据本发明，本发明提供了从具有正氧平衡至中性氧平衡的炸药配方的爆炸生成具有各种尺寸的含金刚石材料的方法，该方法包括如下步骤：

(a)通过将氧化剂与在爆炸时将所述氧化剂放热分解的材料混合制备装料(charge)；

(b)在含有对碳呈惰性的介质的环境中爆炸该装料，并冷却爆炸副产物；

(c)根据颗粒尺寸和相位分离含碳的爆炸副产物。

在另一方面本发明涉及用于含金刚石材料的可爆炸配方，其包含了氧化剂以及分解所述氧化剂的材料。

在优选的实施方式中，该氧化剂为二氧化碳，而在爆炸时放热分解所述氧化剂的材料是选自粉化或雾化金属(例如铝或镁)的还原剂。

氧平衡的原理在于理解零氧平衡炸药由于燃料和氧的完美平衡而提供最佳能量。对于本发明，最佳的能量输出可通过二氧化碳与还原剂大约50∶50的重量比实现。尽管对本发明配方的传统氧平衡计算将建议较大的负氧平衡，二氧化碳对还原剂的最高能或化学计量最佳混合应具有零氧平衡。