热-电耦合超构材料组件、复合垫块及金刚石烧结装置的制作方法

1.本发明涉及电热烧结设备，具体涉及热-电耦合超构材料组件、复合垫块及金刚石烧结装置。


背景技术：

2.传统的物质靠电子导热又导电，所以高导电率必然伴随高导热率，即缺乏一种导电性能好但是导热性能差，即导电性能好又隔热保温的结构。
3.现有的电热烧结设备，具体如金刚石结块烧结中用的热压烧结装置等，需要依靠电极为位于烧结腔体内的工件（常见工件为内部带有带压制金刚石刀头的模具）等结构提供电流，依靠电流经过电阻率高的材料发热提供高温环境，再辅以加压机构通过两个电极对工件施压提供高压环境，进而实现工件内的金刚石结块的烧结。现有的结构中为了在两个电极所在的烧结腔体开口处避免温度过低，一般在电极与刀头之间会设置石墨垫块，石墨电阻率高，通过石墨垫块发热和拉长导热路径降低工件朝向两个电极所在位置的端部的温度与其中部之间温度的温差。石墨垫块发热量大，即供石墨发热的能量存在能量浪费的问题；其次，石墨垫块热导率高同时导热面积大导致热量/能量损失大同时加工工件内部同样存在较大温差。


技术实现要素：

4.本发明提供热-电耦合超构材料组件、复合垫块及金刚石烧结装置，以解决上述问题。
5.本发明采用如下技术方案：一种热-电耦合超构材料组件，包括导电部以及隔热部，导电部由导电材料制备，隔热部由隔热材料制备。上述导电部包括连接体以及两个板片体，两个板片体呈板状结构且两个板片体相对设置，连接体位于两个板片体之间且两端分别连接两个板片体。上述隔热部位于两个上述板片体之间设置。上述连接体贯穿该隔热部设置。
6.由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明通过板片体配合连接体实现良好的导电性能，而由于隔热部的存在，又能实现良好的隔热性能，物理理论方面实现了电和热的路径分离。
7.在物理理论方面，传统的材料特别是金属，电子即是导电的载体也是导热的载体，从而导电和导热是同样的路径。根据维德曼-弗兰兹定律，金属热导率和电导率之比正比于温度，而且比例常数的值不依赖于具体的金属种类，即,其中 为洛伦兹常量。其核心在于金属内导电和导热路径不能分离。同时要获得 即导电良好导热不好的材料超过了自然界材料的范畴。本发明复合垫块之所以称为超构材料是因为在结构内部实现了热流通道和电流通道的分离，同时实现了。
8.进一步地：上述导电部为金属和/或金属氧化物制备的导电体，常见如银、铜、铝的氧化物乃至复合材料等制备的导电体。
9.上述隔热部套设于上述连接体外。
10.上述隔热部为由不定型隔热耐火材料在上述连接体外且位于两个上述板片体之间的空间成型的结构或者为按照所需几何形状预先制备的定型隔热耐火结构。
11.上述导电部为铜制导电部。上述连接体为柱状结构（如圆柱状结构或者为棱柱状结构等）设置，连接体设有一个，连接体两端端部分别连接于两个上述板片体相对的一侧侧面中部。
12.一种用于金刚石烧结装置的复合垫块，该复合垫块为上述热-电耦合超构材料组件结构设置。复合垫块的两个上述板片体分别邻近金刚石烧结装置的电极以及工件设置。
13.一种金刚石烧结装置，包括工件、可控低压电源、加压机构、两个电极以及至少一个上述复合垫块，两个电极相向设置，工件位于两个电极之间，可控低压电源用于为两个电极提供金刚石结块烧结所需的大电流，加压机构用于通过两个电极向工件两端施压。复合垫块位于两个上述电极中一个与工件之间和/或位于两个电极中另一个与工件之间设置。
14.进一步地：上述复合垫块设有两个，两个复合垫块与两个上述电极对应设置，两个复合垫块分别位于上述工件朝向两个电极所在位置的两侧，复合垫块位于与其对应的电极和工件之间。
15.复合垫块设置方式包括以下两种方式：其一，位于同一上述复合垫块的两个上述板片体中的一个与上述电极邻接且另一个与上述工件邻接。
16.其二，一种用于金刚石烧结装置还包括两个石墨垫块，两个石墨垫块与两个上述复合垫块对应设置，两个石墨垫块分别与上述工件朝向两个复合垫块所在位置的两侧邻接，石墨垫块位于与其对应的复合垫块和工件之间设置。位于同一上述复合垫块的两个上述板片体中的一个电极邻接且另一个与石墨垫块邻接。
17.由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：其一，本发明通过上述热-电耦合超构材料组件的复合垫块的设置，通过导电部的设置，实现了用于烧结的大电流由电极向工件的传导；而利用隔热部实现烧结腔体在两个电极所在位置的开口处的保温，避免了热量由该位置向外传导而导致的热量/能量损失。而用隔热耐火材料替换石墨垫块，利用隔热保温性能替代用石墨发热维持温度，能够有效降低金刚石结块烧结能耗，更加节能环保，能量利用率更高。
18.其二，经本技术人研究发现，在金刚石结块烧结效果与效率提升上，工件在沿两个电极延伸方向所在直线上的温度梯度控制是至关重要的。具体当工件为如中国专利cn210648485u公开的模具等结构时，该温度梯度控制与该方案可行性直接相关。在现有烧结温度为800-900℃、烧结压力为10-20mpa方案中，即使在两个电极处分别设置两个石墨垫块，由于石墨垫块的发热量随电流而改变但是其导热是持续发生，其该方案无论怎么增加发热用的石墨，同样存在技术瓶颈，在工件中部温度约为840℃时，工件邻近两个电极两端温度仅有800℃左右。而本发明的复合垫块的应用，特别是在电极与工件之间通过复合垫块
与石墨垫块配合的方案中，在工件中部温度约为830℃时，工件邻近两个电极两端温度能够提升到820℃左右。而上述温度梯度的降低能够产生极大边际效应，有效提升金刚石结块烧结效果与效率。并且从能耗上，由于温度梯度的降低，即无需将工件中部问题提升到840℃即可令工件两端温度升到800℃以上，能耗更低，同时温度梯度的降低有利于提高所生产产品的一致性。
19.其三，在本发明进一步方案中，铜制导电部的设置，即依靠两个铜制板片体配合中部一个铜制柱状的连接体即可实现所需的导电性能，并且铜制连接体导热良好且由于铜电阻率低，导电部自身消耗电能发热的发热量低。即复合垫块在该连接体位置导热良好。在该结构的复合垫块的应用环境中，在垂直两个电极延伸方向所在直线的平面内，工件部位在四周方向存在各种因素（固体导热、热对流和辐射均有）导致的散热，从而使四周温度低于中心温度。而本发明通过上述的复合垫块在该连接体位置导热良好特点，即在上述四周方位通过复合垫块的热量散失相对中部更少，一定程度上平衡了工件在这个平面内四周方位通过其他方式导热而产生的温差。无论该复合垫块通过石墨垫块间接与工件连接还是直接与工件邻接，位于该复合垫块与石墨垫块或者工件的邻接面，通过该连接体的导热进而实现对上述四周方位热量散失相对中部更加快的调节，即降低在垂直两个电极延伸方向所在直线的平面内的温差，进而在上述其二的温度梯度这一维度外的第二个维度进一步减少温差，即更进一步平衡烧结腔体内的热场，进一步提升金刚石结块烧结均匀性。
附图说明
20.图1为实施例一中本发明的金刚石烧结装置的结构示意图。
21.图2为实施例一中本发明的复合垫块的结构示意图。
22.图3为实施例一中本发明的其中一个导电部模拟热流分布图。
23.图4为实施例一中本发明的其中一个石墨垫块模拟热流分布图。
24.图5为实施例一中本发明的其中一个导电部模拟电流分布图。
25.图6为实施例一中本发明的其中一个石墨垫块模拟电流分布图。
26.图7为实施例二中本发明的热-电耦合超构材料组件的结构示意图。
27.图8为实施例三中本发明的热-电耦合超构材料组件的结构示意图。
具体实施方式
28.下面参照附图说明本发明的具体实施方式。
29.实施例一参考图1，一种金刚石烧结装置，包括工件2、可控低压电源3、加压机构、两个电极4以及至少一个复合垫块、石墨垫块5，两个电极4相向设置，工件2位于两个电极4之间，可控低压电源3用于为两个电极4提供金刚石结块烧结所需的大电流，加压机构用于通过两个电极4向工件2两端施压，复合垫块位于两个上述电极4中一个与工件2之间和/或位于两个电极4中另一个与工件2之间设置。复合垫块为热-电耦合超构材料组件结构设置。本发明主要为热-电耦合超构材料组件结构的复合垫块的应用，关于该金刚石烧结装置的其他参考现有金刚石电烧结炉，本实施例仅对复合垫块应用相关结构做出具体描述。其中，图1中通过云朵纹表示烧结所处的氛围，通过两个空心箭头表示加压机构施压方向，用框图结构表示
该可控低压电源3且用折线表示连接可控低压电源3与电极4的导线。
30.参考图1、图2，上述热-电耦合超构材料组件结构的复合垫块包括导电部以及隔热部12，导电部由导电材料制备，隔热部12由隔热材料制备。导电部为金属和/或金属氧化物制备的导电体，常见如银、铜、铝的氧化物乃至复合材料等制备的导电体。具体的，本实施该导电部为铜制导电部。导电部包括连接体111以及两个板片体112，两个板片体112呈板状结构且两个板片体112相对设置，连接体111位于两个板片体112之间且两端分别连接两个板片体112。隔热部12位于两个上述板片体112之间设置。上述连接体111贯穿该隔热部12设置，隔热部12套设于连接体111外。该板片体112板状结构的几何形状根据需要设置，两个板片体112几何形状、厚度可以一致也可以不同。连接体111设有至少一个，连接体111几何形状同样根据需要设置如柱状结构（如圆柱状结构或者为棱柱状结构等）等。具体的，本实施例连接体111设有一个，且其为圆柱状结构设置。连接体111两端端部分别连接于两个板片体112相对的一侧侧面中部，板片体112为圆板状结构。隔热部12为中部带有通孔的圆管结构。
31.继续参考图1、图2，上述隔热部12为由不定型隔热耐火材料在上述连接体111外且位于两个上述板片体112之间的空间成型的结构或者为按照所需几何形状预先制备的定型隔热耐火结构。具体现有如隔热耐火砖等隔热抗压耐火材料，抗压抗高温能力都大于常见金刚石烧结所需的烧结温度为800-900℃、烧结压力为10-20mpa环境。而导电部与隔热部12的设置，在上述采用定型隔热耐火结构时，可以将铜制导电部在隔热部12外浇铸成型，也可以采用组装方式进行导电部制备。
32.参考图1，上述复合垫块根据金刚石烧结装置的隔热需求设置，如一个上述电极4对应配设有复合垫块而另一个电极4则用石墨垫块5也可以使用。优选为设置两个复合垫块且两个复合垫块与两个上述电极4一一对应设置。而上述工件2为内带有待烧结金刚石结块的金刚石烧结模具。常见该模具中带有如石墨材质挡板、石墨材质压头等，如中国专利cn210648485u公开的模具还带有石墨材质的支撑装置等。即该石墨垫块5根据情况选择设置与否、设置数量即可。如石墨垫块5不设置，即复合垫块的两个板片体112直接一个连接电极4另一个连接工件2即可。而石墨垫块5设置的方式中，石墨垫块5也可以设于复合垫块与电极4之间和/或复合垫块与工件2之间。具体的，本实施例采用两个石墨垫块5与两个复合垫块一一对应设置，且两个石墨垫块5分别与工件2朝向两个复合垫块所在位置的两侧邻接，石墨垫块5位于与其对应的复合垫块和工件2之间设置。即位于同一上述复合垫块的两个上述板片体112中的一个电极4邻接且另一个与石墨垫块5邻接。其中，图1中为便于表示，对复合垫块与石墨垫块5采用半剖图示进行示意。
33.参考图3-图6，在物理理论方面，传统的材料特别是金属，电子即是导电的载体也是导热的载体，从而导电和导热是同样的路径。根据维德曼-弗兰兹定律，金属热导率和电导率之比正比于温度，而且比例常数的值不依赖于具体的金属种类，即 ,其中 为洛伦兹常量。其核心在于金属内导电和导热路径不能分离。同时要获得 即导电良好导热不好的材料超过了自然界材料的范畴。如图中热流与电流分布模拟所示，本发明复合垫块之所以称为超构材料是因为在结构内部实现了热流通道和电流通道的分离，同时实
现了。
34.实施例二参考图7，本实施的热-电耦合超构材料组件与实施例一中复合垫块所用的热-电耦合超构材料组件结构区别仅在于：其一，实施例一中两个板片体112为圆板状结构，本实施例的板片体112为方板状结构。
35.其二，实施例一中连接体111设有一个，本实施例的连接体111设有四个。
36.其三，实施例一中的隔热部12为圆管状结构，本实施例的隔热部12为带有四个通孔的长方体状结构。
37.实施例三参考图8，本实施的热-电耦合超构材料组件与实施例一中复合垫块所用的热-电耦合超构材料组件结构区别仅在于：其一，实施例一中两个板片体112为圆板状结构，本实施例的板片体112为一个方板状结构且另一个为圆板状结构。
38.其二，实施例一中连接体111为圆柱状结构，本实施例的连接体111为棱柱状结构，且本实施例的连接体111为沿s型曲线延伸的棱柱状结构。
39.其三，实施例一中的隔热部12为圆管状结构，本实施例的隔热部12中部带有与连接体111相适配通孔且外周沿呈由圆形过渡至方形放样几何结构。
40.上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。