VB-HD Synthese 25 GPa

Abstract: Für eine Anwendung im Forschungsbereich Kristallzüchtung wurde eine Hochdruckkristallzüchtungsanlage mit beheizbarem Multi-Anvil-Einsatz entworfen und automatisiert. Dabei können Drücke bis 8000kN und Temperaturen bis 1300°C bei Prozesszeiten von mehreren Tagen erreicht werden.    

Keywords: Hochdruck Synthese, Hochdruck, Kristallzucht, Multi-Anvil    

Aufgabenstellung: Die Aufgabe bestand in der Realisierung einer Anlage zur Hochdruckkristallzüchtung, die in der Lage ist, Drücke von bis zu 8000kN über verschiedene Druckprofile zu erreichen und über mehrere Tage konstant zu halten. Die Probe besteht dabei aus einem zylinderförmigen Presskörper im Inneren eines sogenannten „Multi-Anvils“ der den Druck gleichmäßige über die Probenflächen verteilt. Der Druck muss sowohl in kurzer Zeit aufgebracht, wie auch über längere Zeit gehalten werden können. Außerdem muss die Probe mittels resistiven Heizen auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Es sind entsprechende Sicherheitsvorkehrungen zu treffen und eine Möglichkeit zu schaffen, den Druckzylinder mit dem innenliegenden Multi-Anvil-Aufbau ohne Unfallgefahr in die Anlage einzubringen.  

Lösungsbeschreibung: Zur Erzeugung des notwendigen Drucks wurde eine industrielle 800t Presse mit den entsprechend für den Probenbehälter geeigneten Dimensionen extern zugekauft. Der Multi-Anvil-Aufbau inklusiver aller zugehörigen Komponenten aus Wolframkarbid wurde ebenfalls extern in Auftrag gefertigt. Um den gesamten Probenaufbau (Gewicht ca. 50kg) sicher in die Anlage einzubringen wurde ein Gestell mit Wagen entwickelt, der sowohl den Transport als auch das Einbringen in die Anlage erleichtert ohne dass der Aufbau an sich angehoben werden muss. Da die Presse selber aber lediglich in der Lage ist den vorgewählten Druck ungeregelt aufzubauen, waren weitere Modifikationen notwendig. Ein ungeregelter Betrieb führt dazu, dass in der Basisvariante der Solldruck zwar erreicht wird aber über einen längeren Versuchszeitraum nicht automatisch nachgeregelt werden kann. Um diese Funktion zu ermöglichen, wurde die existierende Steuerung, welche grundlegend nur aus einem Regler bestand, durch eine industrielle Steuerung ersetzt, die außerdem noch alle höheren Funktionen der Bedienung sowie der Temperaturregelung übernehmen kann. Das ermöglicht auch die Vorgabe von Druck und Temperaturprofilen. Die Bedienung geschieht vorwiegend über ein industrielles berührungsempfindliches Display, welche je nach Betriebsmodus unterschiedliche Bedienbilder zur Verfügung stellen kann. Datenaufnahme kann über einen separaten Regler mit eigenem Display erfolgen.