伴隨著大噸位六面頂液壓機(jī)在行業(yè)內(nèi)成為主流設(shè)備，38、40等不同規(guī)格大腔體合成工藝已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段，與28、30等小腔體工藝不同，腔體的增大改變了合成腔內(nèi)壓力、溫度場的狀態(tài)，怎樣優(yōu)化壓力和溫度控制模式，充分發(fā)揮大腔體的優(yōu)勢，已成為各金剛石廠的首要課題；而作為設(shè)備制造商，在提供大噸位主機(jī)的同時(shí)，如何提供配套合理的電液控制系統(tǒng)，也是面臨的重要任務(wù)。
　　
　　本文試就合成腔的壓力、溫度場進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前通用的幾種控制模式進(jìn)行對比，提出符合大腔體合成工藝要求的六面頂液壓機(jī)整體解決方案。
　　
　　1.壓力控制
　　
　　合成腔體的擴(kuò)大，必然使因傳壓損失而形成的合成棒外殼與芯部的壓力差加大，即壓力場的壓力梯度加大；同時(shí)，金剛石的生長過程也導(dǎo)致壓力場的變化：眾所周知，高溫高壓下以葉臘石為傳壓介質(zhì)的石墨轉(zhuǎn)化為金剛石過程中包含一系列的相變過程：葉臘石礦物相變產(chǎn)生藍(lán)晶石和柯石英、石墨相變產(chǎn)生金剛石，由于這些相變的產(chǎn)物比重大，產(chǎn)生相變前后的體積收縮，造成合成腔內(nèi)部壓力下降；而且，由于葉臘石在相變后因摩擦系數(shù)和強(qiáng)度均增大而呈剛性，影響了傳壓和補(bǔ)壓的效果，這些都造成腔體內(nèi)更大的壓力梯度，而優(yōu)質(zhì)金剛石單晶的生長需要相對穩(wěn)定的壓力條件，因此，如何更好的降低壓力梯度，是大腔體工藝面臨的挑戰(zhàn)。
　　
　　公知的理想壓力控制模式可按下圖1所示：

　　1）升壓曲線可控，這樣可以配合加熱曲線有效控制壓力梯度
　　
　　2）保壓階段壓力曲線遞增，減小因合成相變造成的傳壓梯度增大
　　
　　3）卸壓速度可控，兼顧高低壓時(shí)卸壓速度的不同要求
　　
　　 目前，有以下幾種壓力控制模式在應(yīng)用：
　　
　　 1.1傳統(tǒng)的壓力控制模式
　　
　　 此模式下壓力波動(dòng)較大，完全是一種粗放型的控制模式，不適于大腔體合成工藝。如圖2所示。

　　.2 變頻保壓控制模式
　　
　　此模式保持了保壓階段壓力的恒定，但忽視了對合成相變導(dǎo)致的壓力梯度進(jìn)行補(bǔ)償。如圖3所示。

　　1.3 被動(dòng)的遞增補(bǔ)壓模式
　　
　　如圖4所示。此為原始的遞增補(bǔ)壓模式，通過設(shè)定保壓壓力降至設(shè)定值，按設(shè)定增量補(bǔ)壓，為被動(dòng)式。實(shí)際上在保壓階段，壓機(jī)補(bǔ)壓次數(shù)是有限的，且與壓機(jī)高壓密封的失效相關(guān)，因此并沒有真正實(shí)現(xiàn)通過遞增補(bǔ)壓來彌補(bǔ)壓力梯度的目的。

　　1.4 主動(dòng)的遞增保壓模式
　　
　　如圖5所示。通過設(shè)定壓力增量和時(shí)間間隔（補(bǔ)壓次數(shù)），來實(shí)現(xiàn)遞增補(bǔ)壓，因此為主動(dòng)的遞增補(bǔ)壓模式。采用變頻保壓的形式可以控制每個(gè)設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)的壓力降為最小。不過，由于壓機(jī)保壓性能一般均較好，因此在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)的壓力降可以忽略不計(jì)。

　　1.5 采用比例閥的壓力控制模式
　　比例閥的原理是通過按設(shè)定曲線控制電流或電壓，從而按比例連續(xù)的控制比例電磁鐵的推力和位移量，達(dá)到控制系統(tǒng)的壓力和流量的目的。在系統(tǒng)中采用比例壓力閥或比例泵，不僅能在保壓階段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力連續(xù)遞增，并且也能實(shí)現(xiàn)在升壓階段的升壓速度連續(xù)可控，即實(shí)現(xiàn)了壓力的全程曲線控制?？梢哉f，這是最可能接近理想的控制模式，如圖6所示。

　　2.溫度控制
　　
　　合成腔內(nèi)溫度場的建立是通過直流電加熱實(shí)現(xiàn)的，無論是控制電流還是電壓，最終還是以加熱功率的變化來實(shí)現(xiàn)溫升。由于熱量是靠合成料棒電阻自發(fā)熱產(chǎn)生，即便是石墨襯管等的輔助措施也僅起到了保溫的作用，因此，其溫度梯度因散熱而生，溫度應(yīng)為自棒芯向外遞減，并且這種溫差在加熱與散熱條件不變的情況下，應(yīng)與合成棒直徑大小無關(guān)。基于這種推理，合成腔體的擴(kuò)大，提供了一個(gè)可以形成更均衡與穩(wěn)定的溫度場的客觀條件，或者說，在大腔體中符合優(yōu)質(zhì)金剛石生長所需溫度條件的空間比例將更大。
　　
　　合成腔溫度的變化受兩種因素影響：其一是加熱，其二是散熱。
　　
　　目前，以加熱功率控制為基礎(chǔ)的控制模式有兩種：

　　其一為恒功率模式，加熱功率處于一種恒定狀態(tài)，如圖7所示，相應(yīng)的加熱量曲線如圖8：隨著時(shí)間的延長，加熱量正比例增加；

　　其二為變功率模式，加熱功率可根據(jù)設(shè)定曲線變化，如圖9所示，相應(yīng)的加熱曲線如圖10：隨著時(shí)間的延長，加熱量非正比例增加。
　　
　　隨著加熱曲線的變化，存在著散熱曲線，在自由加熱和散熱地情況下，兩條曲線必然相交，即存在加熱與散熱的平衡點(diǎn)：此點(diǎn)以后的時(shí)間內(nèi)，熱量不在增加，也不減少，處于一種保溫狀態(tài)。如圖11所示。

　　在合成實(shí)際生產(chǎn)中，常出現(xiàn)合成棒芯部與外部溫差大影響金剛石生長的現(xiàn)象，這種保溫狀態(tài)的出現(xiàn)將消除這種溫差。
　　
　　通過適時(shí)、適量的調(diào)整加熱功率，可能使在合成周期內(nèi)出現(xiàn)或接近這一平衡點(diǎn)，而只有具備變加熱量輸出功能的電控系統(tǒng)才提供了這種條件。
　　
　　3.結(jié)束語
　　
　　綜合上述分析與對比，提供符合大腔體中優(yōu)質(zhì)金剛石單晶生長的溫度、壓力條件的六面頂液壓機(jī)，至少應(yīng)具備如下功能：
　　
　　1）具備主動(dòng)的遞增保壓功能，以有效降低壓力梯度，其中采用比例閥控制的控壓模式是較為理想的液壓控制系統(tǒng)。
　　
　　2）電加熱系統(tǒng)具有寬幅的變加熱量輸出功能，為調(diào)整保溫狀態(tài)的出現(xiàn)提供條件。
　　
　　3）具有至少1800T的合成噸位，以滿足40腔體合成工藝的壓力條件，畢竟大腔體天生的溫度場優(yōu)勢是小腔體所無法比擬的。