Компьютерное моделирование физико-механических процессов в реакционной ячейке аппаратов высокого давления при синтезе алмазов

Abstract

Рассмотрено конечноэлементное моделирование связанных нелинейных нестационарных процессов электро-, теплопроводности и термопластичности с учетом фазовых переходов в материалах. В качестве практического приложения разработана методика компьютерного моделирования процесса спонтанной кристаллизации алмазов. Решена задача по определению полей температуры, напряжений и концентраций фаз в реакционном объеме аппарата высокого давления и в локальной системе алмаз-расплав-графит в процессе кристаллизации алмазов. Установлены существенная связанность этих полей, взаимовлияние решений для реакционной смеси и локальной системы, эффект саморегуляции давления в реакционной зоне, заключающийся в колебательном характере изменения давления относительно линии фазового перехода графит-алмаз.

Розглянуто скінченноелементне моделювання зв’язаних нелінійних нестаціонарних процесів електро-, теплопровідності і термопластичності з урахуванням фазових переходів у матеріалах. Розроблено методику комп’ютерного моделювання процесу спонтанної кристалізації алмазів як практичний додаток. Розв’язано задачу по визначенню полів температури, напружень і концентрації в реакційному об’ємі апарата високого тиску та в локальній системі алмаз-розплав-графіт у процесі кристалізації алмазів. Установлено суттєву зв’язаність цих полів, взаємовплив рішень для реакційної суміші і локальної системи, ефект саморегуляції тиску в реакційній зоні, що заклю- чається в коливальному характері зміни тиску щодо лінії фазового переходу графіт-алмаз.

The present work deals with the FEM modeling of coupled nonlinear non-steady processes of electrical, heat conduction, and thermoplasticity with regard to phase transitions in materials. As a practical application a procedure for computer-aided modeling of diamond spontaneous crystallization process has been developed. A problem on determination of temperature, stresses, and concentration fields in the reaction volume of high-pressure apparatus and in the local diamond-melt-graphite system under diamond crystallization conditions has been solved. The results demonstrate: a significant coupling of these fields; an interrelation of the solutions for the reaction mixture and for the local system; the effect of self-regulation of pressure in the reaction zone consisting in pressure oscillation with respect to graphite-diamond phase transition line.