Verfahren zur Herstellung eines Graphits von hoher Dichte Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Graphits mit einer Dichte von mindestens 1,9 g pro cm' und 70 % oder weniger relativer Orientierung der Kristallite.
Graphit wird in ausgedehntem Masse für Zwecke verwendet, die gute Beständigkeit gegen Wärmestoss, gute elektrische Leitfähigkeit, gute Schmierfähigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit erfordern. Dazu gehö ren Kohlebürsten für Elektromotoren und Generato ren, elektrolytische Elektroden, emittierende Elektro den, Schneid- und Schweisselektroden und schwer schmelzbare Produkte, wie z. B. Schmelztiegel.
Die technische Bedeutung des Graphits hat mit dem Aufkommen der Verwendung von Graphit als Bremssubstanz in Kernreaktoren zugenommen. Es ist die Aufgabe der Bremssubstanz, die durch Spal tung von U235-Atomen erzeugten schnellen Neutro nen auf thermische Geschwindigkeiten abzubremsen, bei denen die grösste Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie weitere Kernspaltungen hervorrufen. Die Neu tronen, die abgebremst werden, sollten die geringst- mögliche Zeit im Gebiet mittlerer Energie verwei len, in welchem sie dazu neigen, durch die viel häufigeren U238-Atome eingefangen zu werden; ein derartiger Einfang führt dazu, dass dem System Neu tronen verloren gehen, ohne dass sie weitere Kern spaltungen hervorrufen.
Die Abbremsung findet durch Stoss mit den Atomen der Bremssubstanz statt; der Energieverlust pro, Stoss wird um so grösser sein, je näher die Masse des Atoms der Bremssubstanz der Masse des Neutrons kommt. Eine hohe Dichte der Bremssubstanz erhöht im allgemeinen die Kom paktheit des Reaktors, und in der Praxis hat man daher die Wahl zwischen schwerem Wasser, metalli schem Beryllium oder Berylliumoxyd und Kohlen- stoff. Von diesen Bremssubstanzen ist Kohlenstoff am leichtesten zugänglich und oft auch am praktisch sten zu verwenden.
Die höchste bei handelsüblichen Graphiten vor kommende Dichte beträgt etwa 1,7 g pro cm3; die theoretische Dichte beträgt 2,26 g pro cm3. Berech nungen haben ergeben, dass eine Steigerung der Wärmeleistung eines Leistungsreaktors um etwa 24% erzielt werden kann, wenn man den Graphit mit einer Dichte von 1,7 g pro cm3 durch Graphit mit einer lichte von 2,1 g pro cm3 ersetzt. Ein Graphit, des sen Dichte der theoretischen nahekommt, ist von im wesentlichen nichtporöser Beschaffenheit.
Die Porosität der handelsüblichen Graphite stellt bei flüs sigkeitsgekühlten Kernreaktoren ein Problem dar; der poröse Graphit muss vor Kühlflüssigkeiten mit grossem Wirkungsquerschnitt geschützt werden, um zu verhindern, dass sein Porenvolumen mit Kühlflüs sigkeit gefüllt wird. Dies wird gewöhnlich dadurch erreicht, dass der Graphit mittels eines Materials mit guten Struktureigenschaften und geringem Kernquer schnitt geschützt wird. Bei einem verhältnismässig wenig porösen Graphit entfällt die Notwendigkeit einer derartigen Verkleidung des Graphits.
Dichten von bis zu 2,06 g pro cm3 sind durch Pressen von gereinigtem natürlichen Graphit bei Drucken von 5620 at erzielt worden; jedoch wurde dadurch eine relative Orientierung der Graphitkri stallite von 96% herbeigeführt, und das erhaltene Erzeugnis war äusserst anisotrop und besass eine sehr geringe Festigkeit.
Der Prozentsatz der relativen Orientierung der Kristallite ist definiert als das Ver hältnis der Differenz zwischen der Intensität der (002)-Reflexe einer Fläche, die senkrecht zur Rich tung des angewendeten Druckes ist, und der Inten- sität der (002)-Reflexe einer Fläche, die der Rich tung des angewendeten Druckes parallel ist zur Inten sität der (002)-Reflexe der einen Fläche in Röntgen beugungsdiagrammen. Demgemäss gilt: % relative Orientierung = 100. Ein grosses Mass von Orientierung ist
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insofern für gewisse Verwendungs zwecke unerwünscht, als nahezu alle wichtigen physi kalischen Eigenschaften anisotrop werden, das heisst in Abhängigkeit von der Richtung, in der sie gemes sen werden, verschieden sind.
Dies trifft insbesondere auf Bremssubstanzen für Kernreaktoren zu.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Graphits mit einer Dichte von mindestens 1,9 g pro cm3, welches dadurch gekenn zeichnet ist, dass man zwecks Gewinnung von Pro dukten mit einer relativen Orientierung der Kristallite von maximal 70 % Graphitpulver mit einem brisan ten Sprengstoff umgibt und den genannten Sprengt stoff zündet.
Will man eine gleichmässige Verdichtung des Pul vers erzielen, so muss der Explosivstoff gleichmässig über die Pulvermenge verteilt werden. Um die Hand habung zu erleichtern und Materialverluste zu verhin dern, wird das zu verdichtende Pulver vorzugsweise mit einem Behälter umgeben.
Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird nun auf die beiliegende Zeichnung Bezug genom men, in welcher Fig. 1 und 2 Längsschnitte von Bei spielen für Vorrichtungen zum Verdichten von Gra phitpulver darstellen. In den beiden Figuren werden gleiche Elemente durch gleiche Ziffern angedeutet.
In Fig. 1 und 2 bedeutet 1 eine Graphitpulver masse in dem Stahlrohr 2, das am einen Ende durch den Pfropfen 3 und am anderen Ende durch den Pfropfen 4 verschlossen ist. In Fig. 1 stellt 5 einen Mantel von brisantem Sprengstoff um Rohr 2, 6 eine Schicht von brisantem Sprengstoff über dem indif ferenten Kegel 7 und 8 eine herkömmliche Zünd kapsel mit elektrischen Zuführungsdrähten 9 dar.
In der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform umgibt der Mantel aus brisantem Sprengstoff 5 ein Stützelement 10, z. B. ein Papprohr, welches mit Wasser gefüllten ringförmigen Zwischenraum 11 zwischen dem Stahlrohr 2 und dem Mantel aus bri santem Sprengstoff 5 aufrechterhält. Eine Vorrich tung zum Erzeugen von Kompressionswellen, die sich nur in einer bestimmten Richtung, z. B. längs des Rohres, geradlinig ausbreiten, der Kompressionswel lenerzeuger 14 des im USA-Patent Nr. 2 943 571 beschriebenen und in Fig.2B der genannten Patent schrift abgebildeten Typs, ist an dem Sprengstoff mantel 5 befestigt. Ein oder mehrere solche Genera toren sind z.
B. mit Klebstreifen an einem Ende des röhrenförmigen Mantels 5 in der Weise befestigt, dass sie mit diesem Mantel längs seines ganzen Ran des in Berührung sind; wenn mehr als ein Generator verwendet wird, sollten die Generatoren die gleiche Grösse besitzen, so dass die Detonationswelle den Mantel 5 an allen den Generatoren benachbarten Punkten seines Umfangs gleichzeitig erreicht. Das Ganze ist, wie in Fig.2 gezeigt, in Wasser einge taucht, dessen Oberfläche mit 12 bezeichnet ist und das durch einen Behälter 13 umschlossen wird.
Die Stellung der ganzen Vorrichtung in dem Wasser kann so festgelegt werden, dass man einfach zuerst das Graphit enthaltende verschlossene Rohr 2 auf den Boden des Behälters 13 stellt und darauf den röhren förmigen Mantel 5 mit dem bzw. den daran befestig ten Generator(en) 14 in der Weise über dem Rohr 2 anbringt, dass ein ringförmiger Zwischenraum 11 entsteht, und zwar so, dass der Abstand zwischen dem Sprengstoffmantel 5 und dem Rohr 2 überall gleich gross ist.
Bei der Ausführung des Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung wird, wenn Zündkapsel 8 betätigt wird, die Sprengstoffschicht 6 bzw. der Kom pressionswellenerzeuger 14 gezündet. Wegen der Gestalt der Schicht 6 bzw. des Kompressionswellen erzeugers 14 wird der Sprengstoffmantel 5 längs sei ner ganzen der Schicht 6 bzw. dem Kompressions wellenerzeuger 14 benachbarten Kante gleichzeitig ge zündet, und die Detonation breitet sich längs der Länge des Mantels 5 ohne Bildung von unerwünsch ten sich durch Überlagerung verstärkenden Stosswel len aus. Die Detonation des Mantels 5 drückt das Rohr 2 zusammen und komprimiert das Graphitpul ver 1.
Der Sprengstoffmantel 5 kann von flächenförmi- ger Gestalt sein, so dass er bequem um das Rohr 2 oder das Stützelement 10 gewickelt werden kann, oder es kann ein gekörnter Sprengstoff verwendet werden. In diesem Fall wird der Sprengstoff mittels beliebiger geeigneter Vorrichtungen ui seine Lage um das Rohr herum fest gehalten, wie es nachstehend beschrieben wird.
Um die gleichzeitige Zündung des ganzen Randes des Sprengstoffmantels 5 zu bewirken, kommen nicht nur die in Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtungen in Frage. Zum Beispiel können auch die in der USA Patentschrift Nr. 3 035 518 im einzelnen beschrie benen Kompressionswellenerzeuger verwendet wer den.
Die folgenden Beispiele erläutern besondere Aus führungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens. In den Beispielen stellen Teile Gewichtsteile dar. Der natürliche Ceylongraphit, auf den in den nachfolgen den Beispielen Bezug genommen wird, bestand aus graphitischem Kohlenstoff, 1-1,5 % Feuch tigkeit -i- flüchtigen Substanzen, und der Rest war Asche (50 % Siliciumdioxyd, 25 % Aluminiumoxyd und 25 % Eisen-, Magnesium- und Calciumoxyd). Er war so fein, dass 95 % davon ein Sieb mit 0,044 mm lichter Maschenweite passierten.
Der in den Beispie len erwähnte künstliche Graphit von Kernreaktor qualität wies einen Aschegehalt von maximal 0,08 %, einen Borgehalt von 1,5 Teilen pro Million Teile Graphit und eine derartige Feinheit auf, dass 98,5 davon ein Sieb von 0,074 mm lichter Maschenweite passierten. <I>Beispiel 1</I> Ein nahtloses, 22,86 cm langes Rohr aus kalt gezogenem, geglühtem Stahl mit einem inneren Durchmesser von 4,13 cm und einer Wandungsdicke von 0,16 cm wird am einen Ende mit einem 1,27 cm langen Stahlzapfen versehen. Dieser Stahlzapfen wird mit dem Stahlrohr verschweisst. Hierauf wird das Rohr mit 400 Teilen natürlichem Ceylongraphit ge füllt und der Graphit hydraulisch bei 337 at gepresst.
Nach dem Pressen misst die Graphitsäule 17,78 cm, wobei die Dichte des Graphites 1,7 g pro cm3 be trägt. Dann wird ein 3,81 cm langer Stahlzapfen mit dem offenen Ende des Rohres verschweisst.
Dann wird ein flächenförmiger Explosivstoff, be stehend aus einer Mischung von PETN, das heisst Pentaerythrit-tetranitrat, (20%) und Mennige (70%) in einem Bindemittel (10%), das aus 50% Butyl- kautschuk und 50% eines thermoplastischen Terpen harzes (eine Mischung von Polymeren von ss-Pinen der Formel [C10H16]n) besteht, dessen Explosivstoff ladung 0,775 g/m2 beträgt und das im einzelnen in der USA-Patentschrift Nr. 3 093 521 beschrieben ist, in solcher Weise um ein aus Pappe bestehendes, 20,32 cm langes Rohr, welches einen um 4,45 cm grösseren Durchmesser als der äussere Durchmesser des den Graphit enthaltenden Stahlrohres aufweist, gewickelt, dass um das Papprohr eine kontinuierliche Hülle gebildet und das Äussere des Papprohres voll ständig bedeckt wird.
Der flächenförmige Explosiv stoff wird an das Rohr aus Pappe geklebt. Dann werden zwei Kompressionswellenerzeuger der in Fig. 2B der USA-Patentschrift Nr. 2 943 571 ge zeigten Art in solcher Weise an das eine Ende des durch Pappe gehaltenen, rohrförmigen Explosivstoffs geklebt, dass eine Grundfläche eines jeden dreiecki gen, flächenförmigen Materials, das den Generator bildet, mit dem rohrförmigen Explosivstoff in Berüh rung ist und der gesamte Umfang des rohrförmigen Explosivstoffes an jenem Ende mit dem flächenför migen Explosivstoff eines Kompressionswellenerzeu gers in Berührung ist.
Die dreieckigen, flächenför- migen Materialien, welche die Kompressionswellen erzeuger bilden, werden an ihren Scheitelwinkeln mit einander vereinigt und eine handelsübliche Spreng kapsel (eine elektrische Zündkapsel Nr. 8) an der Verbindungsstelle an den flächenförmigen Materialien befestigt.
Das den Graphit enthaltende Stahlrohr wird in einem wasserdichten Behälter in Wasser eingetaucht und der oben beschriebene, mit Zünder versehene, rohrförmige Explosivstoffkörper über dem Stahlrohr so in das Wasser eingetaucht, dass er das Stahlrohr umgibt und zwischen dem Stahlrohr und dem ring förmigen Explosivstoffkörper ein kreisförmiger Was sermantel von 2,22 cm gebildet wird. Der mit dem Zünder versehene, rohrförmige Explosivstoffkörper wird dadurch in der gewünschten Stellung rund um das Stahlrohr gehalten, dass er über zwei 2,22-cm- Pappringe, welche am oberen und unteren Ende um das Stahlrohr angeordnet sind, dicht angeschmiegt wird.
Während sich die beschriebene Vorrichtung praktisch in der in Fig. 2 gezeigten Stellung befindet, wird die Zündkapsel durch Anlegen eines elektrischen Stroms gezündet, was die Detonation der Kompres sionswellenerzeuger und des rohrförmigen, flächen- förmigen Materials verursacht. Das den kompakten Graphit enthaltende Stahlrohr wird dann während 24 Stunden auf 430 C erhitzt, worauf man das Rohr entfernt.
Die Dichte des Graphits beträgt 2,16 g pro cm3 bzw. 96 % der theoretischen Dichte. Das Ausmass der relativen Kristallorientierung wird durch Rönt genbeugungsmessungen ermittelt, wobei man einen Wert von 57 % feststellt. Die Biegefestigkeit einer Probe des Graphites, die parallel zur Ebene hö herer Kristallorientierung geschnitten wird, beträgt 116 kg/cm2, während eine senkrecht zur Ebene höherer Orientierung geschnittene Probe eine Biege festigkeit von 752 kg/cm2 aufweist. Die in der vor liegenden Beschreibung verwendete Bezeichnung Biegefestigkeit bezieht sich auf die maximale Faser beanspruchung in kg/cm2, welcher ein Material zu wiederstehen vermag, ehe es beim Biegen bricht.
Die Druckfestigkeit von Graphit beträgt 172 kg/cm2 (maximale Festigkeit, welche unter einer Druckbe lastung in kg/cm9 entwickelt werden kann). Zwischen den parallel zur Ebene höherer Orientierung geschnit tenen Stücken und jenen, welche senkrecht hierzu geschnitten worden sind, besteht kein merklicher Un terschied hinsichtlich der Druckfestigkeit. <I>Beispiel 2</I> Man wiederholt das Verfahren von Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass man den Graphit vor der Explosionsverdichtung nicht hydraulisch presst. In diesem Falle wird das Graphitpulver von Hand so gepresst, dass man eine Dichte von 0,75 g/am3 er zielt.
Der mit dem Explosivstoff verdichtete Graphit besitzt eine Dichte von 2,12 g pro cm3 und ein Aus mass an relativer Orientierung von 8 %. <I>Beispiel 3</I> Man wiederholt die Arbeitsweise von Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass man den Graphit vor der Explosionsverdichtung unter einem Druck von 77 at bis zur Erreichung einer Dichte von 1,5 g pro cms presst. Der verdichtete Graphit besitzt eine Dichte von 2,12 g pro cm3 und ein Ausmass an relativer Orientierung von<B>52%.</B>
<I>Beispiel 4</I> Man wiederholt die Arbeitsweise von Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass man einen Graphit verwen det, welcher aus einer Mischung aus 85 % natürlichem Graphit aus Ceylon und 15 % für Kernreaktoren geeignetem, künstlichem Graphit besteht, wobei diese Mischung einen solchen Feinheitsgrad aufweist, dass 95 % davon durch ein Sieb mit einer lichten Ma schenweite von 0,044 mm hindurchgehen. Der ver dichtete Graphit besitzt eine Dichte von 2,13 g pro cm3 und ein Ausmass an relativer Orientierung von 59 %.
Beispiel <I>5</I> Ein nahtloses, 20,32 cm langes Rohr aus kalt gezogenem, geglühtem Stahl mit einem inneren Durchmesser von 4,13 cm und einer Wandungs stärke von 0,16 cm wird am einen Ende mit einem <B>1,27</B> cm langem Stahlzapfen versehen. Der Zapfen wird im Rohr an der dafür bestimmten Stelle ange schweisst. Hierauf wird das Rohr mit 347,1 Teilen natürlichem Ceylongraphit gefüllt und der Graphit hydraulisch bei 352 at Druck gepresst. Nach dem erfolgter- Pressen misst die Graphitsäule 15,49 cm, während die Dichte des Graphits 1,7 g pro cm3 ist. Hierauf wird ein 3,81 cm langer Stahlpfropfen am offenen Ende des Rohres angeschweisst.
Hierauf wird ein Rohr aus Pappe von gleicher Länge wie das Stahlrohr, welches einen solchen in neren Durchmesser aufweist, dass es sich lückenlos über das Stahlrohr anschmiegen lässt, konzentrisch in einem anderen Rohr aus Pappe mit gleicher Länge wie das innere Rohr, aber mit einem um 1,27 cm grösseren Durchmesser angeordnet. Hierauf wird am einen Ende der ausgerichteten Rohre ein aus Pappe bestehendes Abstandsstück so angeordnet, dass zwi schen den Rohren ein kreisförmiger Raum von 0,64 cm gebildet wird, worauf man dieses Abstands stück mittels Paraffinwachs befestigt.
Der kreisrunde Raum wird hierauf mit 200 Teilen granuliertem TNT, das heisst Trinitrotoluol, beschickt, ein Abstandsstück aus Pappe am oberen Ende der Vorrichtung befe stigt und dieses Abstandsstück mittels Paraffinwachs befestigt. Diese Vorrichtung wird dann über das Stahlrohr geschoben. Hierauf wird ein 4,45 cm lan ger Tonkegel auf dem 3,81 cm langen Zapfen im Stahlrohr angeordnet und mit einem flächenförmigen Explosivstoff, der aus einer Mischung von PETN, das heisst Pentaerythrittetranitrat in Butylkautschuk und einem thermoplastischen Terpenharz (Mischung von Polymeren von ss-Pinen der Formel [C10H16]n) besteht, umgeben, wobei die Explosivstoffladung 0,62 g/cm2 beträgt.
Dieser flächenförmige Explosiv stoff wird in der USA-Patentschrift Nr. 2 999 743 ausführlich beschrieben. Der flächenförmige Explo sivstoff wird mit einem Klebestreifen mit dem äusse ren Rohr aus Pappe verbunden. Dann wird eine han delsübliche Sprengkapsel (eine elektrische Zündkap sel Nr. 8) am Scheitel der konischen Schicht befestigt. Die Vorrichtung wird in der in Fig. 1 gezeigten, auf rechten Stellung durch Anlegen von elektrischem Strom an die Zündkapsel gezündet, wobei die Deto nation des flächenförmigen Explosivstoffes und des TNT verursacht wird. Das das verdichtete Material enthaltende Rohr wird hierauf während 24 Stunden auf 430 C erhitzt und danach das Rohr entfernt.
Die Dichte des Graphits beträgt 2,15 g pro cm3 bzw. 95 % der theoretischen Dichte. Das Ausmass an relativer Kristallorientierung wird durch Röntgen beugungsmessung bestimmt und beträgt 65 %. <I>Beispiel 6</I> Man wiederholt den Arbeitsgang von Beispiel 5, beschickt aber den ringförmigen Zwischenraum zwi schen den Rohren aus Pappe mit 400 Teilen TNT. Auf diese Weise erhält man ein festes verdichtetes Material mit einer Dichte von 2,11 g pro cm3 und einem Ausmass an relativer Orientierung von 657,. <I>Beispiel 7</I> Man wiederholt die Arbeitsweise von Beispiel 4 mit der Ausnahme, dass das Stahlrohr einen Innen durchmesser von 6,03 cm hat und die Menge des in das Rohr gepackten Graphites 733,5 Teile be trägt.
Vor der Explosionsverdichtung wird der Gra phit hydraulisch bei 288 at gepresst, worauf die Gra phitsäule 15,24 cm hoch ist und die Dichte des Graphits 1,7 g pro cm3 beträgt. Die Menge an TNT im ringförmigen Zwischenraum zwischen den Roh ren aus Pappe beträgt 350 Teile. Das auf diese Weise erhaltene verdichtete Material besitzt eine Dichte von 2,11 g pro cm- und ein Ausmass an rela tiver Orientierung von 65 %. Die Biegefestigkeit in Längsrichtung beträgt 74 kg/cm2 und in der Quer richtung 135 kg/cm2.
Beispiel <I>8</I> Für Kernreaktoren geeigneter künstlicher Gra phit (349,1 Teile), welcher unter einem Druck von 478 at bis zu einer Dichte von 1,6 g pro cm3 ge presst worden ist, wird nach den Angaben in Bei spiel 4 unter Explosionsdruck verdichtet. Dieser ver dichtete Graphit besitzt eine Dichte von 2,0 g pro cm3 und ein Ausmass an relativer Orientierung von 51 %. Die Biegefestigkeit in der Längsrichtung be trägt 88 kg/cm2.
Im folgenden Beispiel werden das hohe Aus mass an relativer Kristallorientierung und die schlech ten Festigkeitseigenschaften von Graphit mit einer Dichte von 1,7 und 1,9 g pro cm3 in Abwesenheit eines Bindemittels erläutert. Beispiel <I>9</I> Natürlicher Ceylongraphit wird in ein 20,32 cm langes Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von 4,13 cm und einer Wandungsstärke von 0,16 cm eingefüllt, nachdem das Rohr am einen Ende mit einem 1,27 cm langen Stahlstopfen verschweisst wor den ist.
Nach dem hydraulischen Pressen bei einem Druck von 352 at besitzt der Graphit eine Dichte von 1,7 g pro cm3 und ein Ausmass an relativer Orientierung von<B>80%.</B> Wird eine andere Probe des gleichen Graphits bei einem Druck von 1406 at gepresst, so erzielt man eine Dichte von 1,9 g pro cm3, wobei aber gleichzeitig das Ausmass an relati ver Orientierung<B>82%</B> beträgt. Beide Proben, das heisst jene, welche bei 352 at, und jene, welche bei 1406 at gepresst worden ist, besitzen praktisch keine Festigkeit und zerbrechen in Stücke, wenn das Rohr entfernt wird.
Im folgenden Beispiel wird das hohe Ausmass an relativer Kristallorientierung und die relativ niedrige Dichte gezeigt, welche man selbst bei starkem sta tischem Pressen von künstlichem Graphit erreicht.
<I>Beispiel 10</I> Für Kernreaktoren geeigneter künstlicher Gra phit wird bei 3515 kg/cm2 bis zu einer Dichte von 1,5 g pro cm3 gepresst. Das Ausmass an relativer Orientierung, bestimmt mittels Röntgenbeugungsmes sung, beträgt 79 %.
Nach dem Verfahren gemäss der vorliegenden Er findung kann man einen verdichteten Graphit herstel len, der eine der theoretischen Dichte des Graphits nahekommende Dichte aufweist. Gleichzeitig ist der erfindungsgemäss hergestellte Graphit einzigartig in der Hinsicht, dass er einen geringeren Grad von Orientierung der Kristallite aufweist als irgendein bisher bekannter Graphit von vergleichbarer Dichte. Obgleich nicht beabsichtigt ist, die Erfindung durch Aufstellung einer Theorie einzuschränken, wird an genommen, dass die einzigartigen Eigenschaften des neuen erfindungsgemäss hergestellten Graphits ein unmittelbares Ergebnis der neuen, zu seiner Ver dichtung verwendeten Methode ist.
Man glaubt, dass die ausserordentlich hohe Dichte, gepaart mit dem niedrigen Prozentsatz an Orientierung der Kristallite des Graphits den ungeheuren Drücken zuzuschrei ben ist, die durch die auf den Graphit einwirkende Detonationswelle selbst erzeugt werden. Berechnun gen haben ergeben, dass die Drücke einer Detona tionswelle auf der Oberfläche detonierenden Spreng stoffladung nahe bei 200 000 Atmosphären liegen. Es wird angenommen, dass derartige ungewöhnlich hohe Drücke eine tiefgehende Wirkung auf die Nähe der Partikeln zueinander, das heisst auf die Dichte, und ebenso auf die tatsächliche Orientierung der Kri stallite haben. Diese Wirkung auf die Orientierung der Kristallite kann die Folge einer Änderung der Lage der Kristallite oder eines Zerbrechens der Kristallite in kleinere Bruchstücke sein.
Vielleicht sind auch Lageänderung sowohl als Zerbrechen dar an beteiligt. Offensichtlich wird durch die herkömm lichen Verfahren zum Ausüben eines Druckes keine derartige Wirkung hervorgerufen. Wie in Beispiel 9 gezeigt, besass das Produkt eine Dichte von nur 1,9 g pro cm3 und eine relative Orientierung der Kristallite von 82 %, wenn natürlicher Graphit mit einem Druck von 1410 at (unter Anwendung von statischem Druck) gepresst wurde. Wie in Beispiel 10 dargestellt, hatte das Produkt eine Dichte von nur 1,5 g pro cm3 und eine relative Orientierung der Kristallite von 79 %, wenn künstlicher Graphit unter Anwendung von statischem Druck bei 3520 at ge presst wurde. Anderseits sind leicht Dichten von 2,0 bis 2,16 g pro cm3 bei einer relativen Orientierung der Kristallite von nur 8 bis 65 % leicht erzielbar, wenn das erfindungsgemässe Verfahren angewendet wird.
Die mechanische Festigkeit des erfindungsgemäss hergestellten Graphits ist höher als die Festigkeit irgendeines Graphits von vergleichbarer Dichte und mit einen höheren Grad von relativer Orien tierung der Kristallite. Wie in Beispiel 8 gezeigt, besass ein Graphit, der unter einem statischen Druck von 1410 at gepresst wurde, wonach er eine Dichte von 1,9 g pro cm3 und eine relative Orientierung der Kristallite von 82 % aufwies, praktisch keine Festigkeit und zerbrach in Stücke, als das ihn um gebende Rohr entfernt wurde. Zwar wird die mecha nische Festigkeit von Graphit durch Beimischung eines Bindemittelmaterials verbessert, aber die ent stehenden Produkte besitzen gewöhnlich eine Dichte von nur etwa 1,7 g pro cm3.
Anderseits werden bei dem neuen erfindungsgemäss hergestellten Graphit die gewünschten Eigenschaften, nämlich sehr hohe Dichte und gute mechanische Festigkeit, ohne Ver wendung eines Bindemittels erzielt.
Der erfindungsgemäss hergestellte Graphit kann leicht maschinell in eine Vielzahl von Formen ver arbeitet werden. Er ist schon mit Toleranzen von 0,0254 mm maschinell verarbeitet worden und kann gesägt, gedreht, gebohrt, aufgeweitet und mit Gewinde versehen werden. Das Material besitzt eine glatte Oberfläche und kann durch Polieren einen metalli- schen Glanz erhalten.
Um die hohen Drücke, die zur erfindungsgemässen Verdichtung erforderlich sind, zu erzeugen, muss der Sprengstoff detonieren. Ein unbehindert explosions artig verbrennender Sprengstoff könnte nicht die ge wünschten Drucke liefern. Unter brisanter Spreng stoff wird ein Treibsatz verstanden, der - unbehin dert - eine Reaktionsgeschwindigkeit von minde stens 1200 m pro. Sekunde aufweist. Sprengstoffe mit Detonationsgeschwindigkeiten von 4000-5000 m pro Sekunde liefern die besten Ergebnisse und werden daher bevorzugt. Dem Fachmann bietet die Auswahl des besonderen zu verwendenden brisanten Spreng stoffes unter Berücksichtigung derartiger Faktoren wie Grösse und Form des zu erzeugenden kompakten Körpers keine Schwierigkeit.
Offensichtlich muss die Sprengstoffmenge in der Schicht, die den zu verdich tenden Körper umgibt, ausreichend sein, damit die Detonation über die ganze Länge der Schicht fortge pflanzt wird. Im Fall kleiner zu verdichtender Kör per kann die pro Flächeneinheit benötigte Spreng stoffmenge so gering sein, dass manche Sprengstoffe aus der Gruppe mit niedrigerer Detonationsgeschwin digkeit die Detonation nicht fortzupflanzen vermö gen. In solchen Fällen wird man einen Sprengstoff mit höherer Reaktionsgeschwindigkeit verwenden. Wenn man grosse verdichtete Körper herstellen will, kann eine viel grössere Zahl von Sprengstoffen ver wendet werden.
Es ist festgestellt worden, dass der in der USA-Patentschrift Nr. 3 093 521 beschriebene flächenförmige Sprengstoff zur Verwendung im vor liegenden Verfahren besonders geeignet ist. Ebenso ist auch der in der USA-Patentschrift Nr. 2 999 743 beschriebene flächenförmige Sprengstoff besonders geeignet. Jedoch können auch Trinitrotoluol (TNT) in gekörnter oder Flockenform sowie andere bri sante Sprengstoffe, wie Cyclotetramethylentetranitra- min (HMX) oder Sprengstoffe auf Nitroglycerinbasis, verwendet werden.
Im Falle zylindrisch zusammengebauter Vorrich tungen kann man einen verdichteten Körper mit gutem Äusseren erhalten, indem man die Sprengstoff schicht in einer derartigen Weise zündet, dass die Stosswellen der Detonation nur in der Mitte des zu verdichtenden Körpers zusammenlaufen. Wenn nur ein Punkt in der Sprengstoffschicht gezündet wird, wird die Detonation sowohl radial als auch linear fortgepflanzt werden, und die Detonationsfronten werden auf einer 180 vom Punkt der Zündung ent fernten Linie zusammentreffen. Das Zusammenlau fen der Detonationswellen wird längs dieser Linie viel grössere Drücke erzeugen, als sie anderswo auf der Oberfläche des zu verdichtenden Körpers auftre ten.
Diese können Formveränderungen oder sogar das Zerbrechen des Körpers verursachen. Wie oben erläutert, kann die Bildung unerwünschter zusam menlaufender Stosswellen durch gleichzeitiges Zün den des ganzen Randes vermieden werden. Wie in den Beispielen gezeigt, kann dies durch eine kegel förmige Ladung von flächenförmigem Sprengstoff, wobei der Kegel mit indifferentem Material gefüllt wird, oder durch einen Kompressionswellenerzeu ger , wie er in den vorstehend erwähnten Patent schriften beschrieben ist, bewirkt werden. Jedoch können auch andere Vorrichtungen zum Erzeugen einer linearen Stosswelle verwendet werden, z. B. eine in der Mitte gezündete flache Oblate.
Um die Handhabung zu erleichtern und Mate rialverluste zu verhindern, wird der zu verdichtende Graphit vorzugsweise in einem Behälter eingeschlos sen. Insofern als eine Naht eine Unterbrechung in der Oberfläche eines Behälters darstellt, kann eine solche Naht einen Fehler in die Oberfläche des zu verdichtenden Graphitkörpers einführen; demgemäss wird vorzugsweise ein nahtloser Behälter verwendet.
Durch Verwendung eines Behälters mit genügend starken Wänden können eine Faltenbildung an dem Behälter und daraus herrührende Unregelmässigkei ten in der Oberfläche des verdichteten Körpers ver mieden werden, indem der Behälter gleichmässig zu sammengedrückt wird, um die Volumenverminderung, die mit der Verdichtung des Graphits einhergeht, aus zugleichen.
Im erfindungsgemässen Verfahren kann die Sprengstoffladung angrenzend an den Graphitbehäl- ter angeordnet werden, oder es kann ein ringförmiger wassergefüllter Zwischenraum zwischen dem Behäl ter und der Sprengstoffladung liegen. Es ist gefunden worden, dass manchmal verdichteter Graphit mit einem besseren Äusseren erhalten wird, wenn der Explosionsdruck durch Wasser hindurch übertragen wird. Auch die Verwendung von anderen Materialien als Wasser zwischen dem Graphitbehälter und der Sprengstoffladung führt zum Ziel. Zum Beispiel kön nen Schichten von Pappe oder Schaumstoff, z. B. Polystyrol, zwischen die Ladung und den Behälter eingeschoben werden.
Um das Geräusch und die Luftdruckwelle der Detonation des Sprengstoffmantels zu schwächen, wird die zusammengebaute Vorrichtung vor dem Zünden des Sprengstoffes vorzugsweise in Wasser eingetaucht. Insoweit das Wasser nicht erforderlich ist, um den Druck der Detonation der Sprengstoff ladung zu übertragen, ist das Eintauchen im Wasser nicht unbedingt notwendig. Wenn die Vorrichtung ins Wasser gestellt wird, muss die verwendete Spreng stoffmischung offensichtlich wasserfest sein.
Es kann erwünscht sein, erst das den ver dichteten Graphit enthaltende Rohr auf eine Tem peratur in der Gegend von 400-500 C, vor zugsweise auf etwa 430 C, zu erhitzen, was dazu beträgt, die Bildung von Rissen während des Entfernens des Rohres zu vermeiden. Eine der artige Hitzebehandlung ist jedoch nicht wesentlich für die Erzeugung des neuen erfindungsgemässen Graphits, sondern stellt nur ein zweckmässiges Mit tel dar, welches dazu beiträgt, eine Beschädigung des verdichteten Körpers zu verhindern.
Die Beispiele erläutern die Erzeugung des neuen Graphits in Form fester Stäbe von 41,275 mm bzw. 60,325 mm Durchmesser. Jedoch können auch verdichtete Körper von viel grösserem Durchmesser hergestellt werden. Da das flächenförmige Spreng stoffmaterial oder die Sprengstoffschicht beliebig lang gemacht werden können, besteht hinsichtlich der Länge, in welcher der verdichtete Körper erzeugt werden kann, keine Begrenzung. Zum Beispiel ist der erfindungsgemässe Graphit schon in Form fester Stäbe von 203,2 mm Durchmesser und 355,6 mm Länge hergestellt worden.
Obgleich es nicht Ziel der vorliegenden Beschrei bung sein kann, alle möglichen geometrischen For men, in denen der neue Graphit erzeugt werden kann, durch Beispiele zu belegen, versteht es sich für den Fachmann von selbst, dass der Graphit nicht in zylindrischer Form verdichtet werden muss, son dern dass viele andere Formen möglich sind. Zum Beispiel kann der Graphit auch in Form eines Roh res hergestellt werden, indem man den Graphit um einen Dorn herum verdichtet und den Dorn nach der Verdichtung entfernt. Der Dorn kann aus Stahl be stehen, so dass er nach der Verdichtung von Hand entfernt werden kann; es kann auch eine niedrig schmelzende Legierung als Material für den Dorn verwendet werden, in welchem Fall der Dorn nach der Verdichtung herausgeschmolzen werden kann.
Die verdichteten Körper können auch block- oder flächenförmige Gestalt haben.