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伴隨著大噸位六面頂液壓機在行業內成為主流設備，38、40等不同規格大腔體合成工藝已進入推廣應用階段，與28、30等小腔體工藝不同，腔體的增大改變了合成腔內壓力、溫度場的狀態，怎樣優化壓力和溫度控制模式，充分發揮大腔體的優勢，已成為各金剛石廠的首要課題；而作為設備制造商，在提供大噸位主機的同時，如何提供配套合理的電液控制系統，也是面臨的重要任務。 1.壓力控制 合成腔體的擴大，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，金剛石的生長過程也導致壓力場的變化：眾所周知，高溫高壓下以葉臘石為傳壓介質的石墨轉化為金剛石過程中包含一系列的相變過程：葉臘石礦物相變產生藍晶石和柯石英、石墨相變產生金剛石，由于這些相變的產物比重大，產生相變前后的體積收縮，造成合成腔內部壓力下降；而且，由于葉臘石在相變后因摩擦系數和強度均增大而呈剛性，影響了傳壓和補壓的效果，這些都造成腔體內更大的壓力梯度，而優質金剛石單晶的生長需要相對穩定的壓力條件，因此，如何更好的降低壓力梯度，是大腔體工藝面臨的挑戰。 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，兼顧高低壓時卸壓速度的不同要求 目前，有以下幾種壓力控制模式在應用： 1.1傳統的壓力控制模式 此模式下壓力波動較大，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。
1.2 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致的壓力梯度進行補償。如圖3所示。
1.3 被動的遞增補壓模式 如圖4所示。此為原始的遞增補壓模式，通過設定保壓壓力降至設定值，按設定增量補壓，為被動式。實際上在保壓階段，壓機補壓次數是有限的，且與壓機高壓密封的失效相關，因此并沒有真正實現通過遞增補壓來彌補壓力梯度的目的。
1.4 主動的遞增保壓模式 如圖5所示。通過設定壓力增量和時間間隔（補壓次數），來實現遞增補壓，因此為主動的遞增補壓模式。采用變頻保壓的形式可以控制每個設定時間間隔內的壓力降為最小。不過，由于壓機保壓性能一般均較好，因此在設定時間間隔內的壓力降可以忽略不計。
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定曲線控制電流或電壓，從而按比例連續的控制比例電磁鐵的推力和位移量，達到控制系統的壓力和流量的目的。在系統中采用比例壓力閥或比例泵，不僅能在保壓階段實現系統壓力連續遞增，并且也能實現在升壓階段的升壓速度連續可控，即實現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 合成腔內溫度場的建立是通過直流電加熱實現的，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現溫升。由于熱量是靠合成料棒電阻自發熱產生，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，應與合成棒直徑大小無關�；谶@種推理，合成腔體的擴大，提供了一個可以形成更均衡與穩定的溫度場的客觀條件，或者說，在大腔體中符合優質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，如圖7所示，相應的加熱量曲線如圖8：隨著時間的延長，加熱量正比例增加；
其二為變功率模式，加熱功率可根據設定曲線變化，如圖9所示，相應的加熱曲線如圖10：隨著時間的延長，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：此點以后的時間內，熱量不在增加，也不減少，處于一種保溫狀態。如圖11所示。
在合成實際生產中，常出現合成棒芯部與外部溫差大影響金剛石生長的現象，這種保溫狀態的出現將消除這種溫差。 通過適時、適量的調整加熱功率，可能使在合成周期內出現或接近這一平衡點，而只有具備變加熱量輸出功能的電控系統才提供了這種條件。 3.結束語 綜合上述分析與對比，提供符合大腔體中優質金剛石單晶生長的溫度、壓力條件的六面頂液壓機，至少應具備如下功能： 1）具備主動的遞增保壓功能，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。 2）電加熱系統具有寬幅的變加熱量輸出功能，為調整保溫狀態的出現提供條件。 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勢是小腔體所無法比擬的。 |
