基于国产铰链式六面顶压机的大腔体静高压技术研究进展

大腔体压机技术因具有静水压性好、样品尺寸大、样品腔内压力与温度分布均匀,且可与同步辐射X射线、中子衍射、超声测量等技术结合对样品进行原位测量等优点,越来越受到高压领域科研工作者的青睐。国内大腔体压机技术多基于国产铰链式六面顶压机构架,国产六面顶压机常规一级压腔所能产生的压力极限较低,约为6GPa,在一定程度上制约了国内高压科学及相关学科的发展。近几年,基于国产六面顶压机,设计了两种一级压腔增压系统,集成了6-8型二级压腔加压装置。目前,在提供厘米量级样品的前提下,设计的两种一级压腔所能达到的最高压力约为10GPa;若采用硬质合金二级顶锤,设计的6-8型二级压腔所能达到的最高压力约为20GPa。最近,自行设计并制备了可产生高于50GPa压力的多晶金刚石二级顶锤,采用此种顶锤将基于国产六面顶压机构建的二级加压系统的压力标定至35GPa,拓展了国内大腔体静高压技术的压力产生范围。     

二级6-8型静高压装置厘米级腔体内置石墨加热组装的设计与实验研究

基于国产铰链式六面顶压机二级6-8型静高压装置,采用去尖3节式36/20结构,设计了一种"桥式"结构的石墨加热组装,通过高压原位温度测量获取加热功率与温度的对应关系,得到了稳定的p-T(2.5~10.4GPa,0~1 650/1 800℃)区域。同时样品腔体直径可以达到13mm,实现了厘米级大样品的高温高压制备。讨论了组装的电阻与温度之间的关系,并分析了电阻变化的原因。通过对样品烧结情况的表征,来反映腔体的温度分布情况。研究工作对基于国产铰链式六面顶压机的二级6-8型静高压装置的加热设计有一定的参考意义,并具有良好的实用性。     

基于铰链式六面顶压机的二级6-8型大腔体静高压装置

报道了一种新型二级6-8型大腔体静高压装置.该装置是以国产DS6×800T铰链式六面顶压机为构架,在其六面体压腔中直接放入二级6-8模(球分割)增压装置以产生10GPa以上的压力,还实验了不同规格的预密封边和不同密度的叶蜡石对压力产生效率的影响,在室温下用BiⅠ-Ⅱ(2.55GPa),Ⅲ-Ⅴ(7.7GPa)和SnⅠ-Ⅱ(9.4GPa)在高压下的相变对14／8(8面体传压介质边长／8面体压腔边长)规格压腔进行了压力标定.实验结果表明,该系统可以在加载压力(油压)约为3×10⁶N(～42 关键词： 铰链式六面顶压机 6-8型球分割大腔体静高压装置 压力标定     

二次加压对六面顶压腔压力发生效率和 压力密封性能的影响

随着六面顶压机大腔体静高压技术的发展,复杂多变的压力加载工艺被应用于高压科学研究和材料制备,但是不同压力加载工艺对压力发生效率和压力密封性能的影响尚未被充分研究。本工作在六面顶压机高压腔体和密封边内置入电路,通过原位测量Bi、Tl、Ba和锰铜丝的电阻,标定了一次加压和二次加压两种不同压力加载工艺下外部加载与腔体压力及密封边压力的对应关系。实验分析结果表明,二次加压工艺会导致腔体和密封边的压力发生效率明显降低,同时也会降低压力密封性能最差时对应的外部加载。此研究可为高压装置和压力加载工艺的优化设计提供指导。     

复合型多晶金刚石末级压砧的制备并标定六面顶压机6-8型压腔压力至35GPa

通过分析二级6-8型大腔体静高压装置八面体压腔的受力状况, 研制了一种使用成本低、尺寸大且易于加工的多晶金刚石-硬质合金复合二级(末级)顶锤(压砧). 采用原位电阻测量观测Zr在高压下相变(α-ω, 7.96 GPa; ω-β, 34.5 GPa)的方法, 标定了由多晶金刚石-硬质合金复合末级压砧构建的5.5/1.5(传压介质边长/二级顶锤锤面边长, 单位: mm)组装的腔体压力. 实验表明, 自行研制的多晶金刚石-硬质合金复合末级压砧可使基于国产六面顶压机构架的二级加压系统的压力产生上限从约20 GPa提高到35 GPa以上, 拓展了国内大腔体静高压技术的压力产生范围. 应用这一技术, 我们期望经过末级压砧材料与压腔设计的进一步优化, 在基于国产六面顶压机的二级6-8 型大腔体静高压装置压腔中产生超过50 GPa的高压. 关键词： 二级6-8型大腔体静高压装置 多晶金刚石-硬质合金复合末级压砧 压力标定     

基于有限元法确立碳化钨顶锤的破裂判据

以有限元法为理论基础,通过运行大型有限元软件,成功构建了铰链式六面顶压机配套顶锤的有限元理论模型,并确立了碳化钨顶锤的破裂判据。模拟结果表明:以小斜边末尾处为应力参考点,依据第四强度理论,能够对碳化钨顶锤的性能进行更加合理的数值分析。依据此判据可知:在顶锤锤面及小斜边附近,裂纹高发区分布在小斜边附近;在顶锤轴向上,裂纹高发区分布在距离顶锤锤面30 mm处。铰链式六面顶压机配套碳化钨顶锤的有限元模型以及碳化钨顶锤破裂判据的成功构建,为实现新型碳化钨顶锤的设计与研究奠定了基础,对促进实现铰链式六面顶压机腔体大型化具有现实意义。     

二级6-8型静高压装置厘米级腔体的设计原理与实验研究

利用大腔体静高压装置的实验数据,提出了"极限压缩体积比"的概念以及腔体与组装设计的一般性原理。通过对极限压缩体积比的分析,设计出了样品腔体达到厘米级的36/20(正八面体传压介质边长为36mm/末级压砧正三角形截角边长为20mm)组装。采用原位电阻观测Bi(Ⅲ-Ⅴ,7.7GPa),ZnTe(Ⅰ-Ⅱ,5GPa;Ⅱ-Ⅲ,8.9~9.5GPa;半导体-金属,11.5~13.0GPa)和ZnS(半导体-金属,15.6GPa)在高压下相变的方法,标定了36/20组装的腔体压力。实验结果表明所设计样品腔的尺寸大于10mm,压力可以达到15GPa以上。本工作使得基于国产6×2 500t(吨)铰链式六面顶压机的二级6-8型静高压装置在高压实验研究中具有更加广阔的应用前景。     

利用围压提高二级大腔体静高压装置压力极限的初步实验探索

采用基于国产铰链式六面顶压机二级6-8型大腔体静高压装置中的10/4(即八面体传压介质边长为10mm,二级WC-Co硬质合金立方块截角边长为4mm)组装,选择不同的围压材料和传压硬质合金台棱、圆片,在室温下用ZnTe的高压相变对压腔进行了压力标定。实验结果表明,叶蜡石是较合适的围压材料;但由于传压台棱、圆片自身强度的限制,及一级压腔形成的围压值较低等原因,致使实验没有达到预期的末级压砧围压增强效果。通过结合两种压腔的力学简化模型分析得知,围压材料与二级增压装置的预密封边共同形成了二级压腔的密封边,该大面积密封边消耗了系统的大部分加载力,因此在围压实验中没有观测到二级6-8型大腔体静高压装置压力极限的提高。     

国产六面顶压机多晶种法合成宝石级金刚石单晶

对国产六面顶压机平台下使用多晶种法合成宝石级金刚石单晶进行了系统的研究. 通过合理调整温度梯度法的合成腔体组装, 采用多晶种法, 探索多晶种法金刚石合成的压力和温度区间, 在单个合成腔体内放置3–5颗金刚石晶种, 成功合成出多颗(3–5)优质Ib型宝石级金刚石单晶. 多颗晶种的引入, 单次实验合成的多个金刚石晶体晶形及品质一致; 同时, 晶体的整体生长速度也有明显的增大. 多晶种法金刚石单晶合成的研究, 可以有效地利用腔体空间、提高单次金刚石单晶合成的效率, 解决压机大型化下高温高压资源利用率低的问题; 同时, 为宝石级金刚石单晶商业化生产提供重要的依据. 关键词： 金刚石 国产六面顶 多晶种 温度梯度法     

电沉积再生触媒及金刚石合成的研究

 在国产铰链式六面顶压机上，选择合适的条件，使用电沉积再生触媒合成出优质的粗粒和细粒金刚石。并对合成出来的粗粒金刚石进行强度测定和热失重分析。     

有限元法在金刚石合成中的应用进展

金刚石以其优异的性能广泛应用于国防工程、机械加工、电子科技等领域,其需求量也日益增大。有限元法适用于复杂几何结构和物理问题的模拟分析,由此开辟了有限元法应用于金刚石合成和相应设备优化的新途径。阐述了有限元方法在六面顶压机及金刚石合成腔体工艺方面的应用进展。首先,考虑静力、应力强度、应力分布和形变等影响因素,对铰链梁和工作缸进行模拟分析,运用有限元法对顶锤的作用、破坏机理及新型顶锤设计进行探讨;其次,总结有限元法在金刚石腔体内的温度场、压力场、电学场等研究中的应用进展;最后,对有限元法在金刚石合成中的应用前景进行展望。     

基于铰链式六面顶压机的二级6-8模超高压大腔体内置加热元件的设计与温度标定

 首次报道了一种新型的基于铰链式六面顶压机的二级6-8模大腔体静高压装置的内置加热元件的设计与温度标定。此加热组装结构简单,升温快,保温效果好,并有效地解决了国外基于两面顶压机构架下的二级6-8模内加热组装中热电偶在施加压力时易断的问题。以低成本的碳管为加热元件,采用直接和间接两种加热方式,用双铂铑（Pt6%Rh-Pt30%Rt）B型热电偶进行温度测量,并根据实验过程中加热功率与腔内实际温度的关系,对不同压力下腔体内的温度进行了标定。实验结果表明：此加热系统的油压达到40 MPa（腔体压力约10 GPa）时,温度可以达到1 700 ℃以上;在油压为30 MPa、样品室温度为1 000 ℃时,保温时间可达2 h,甚至更长;实验中获得样品的直径可达3 mm,高度可达7 mm,实现了在高温超高压条件下大样品的制备,满足了实验对产生高温超高压条件的需要。     

基于三维有限元法模拟分析六面顶顶锤的热应力

以有限元法为理论分析手段模拟分析了国产六面顶压机配套顶锤内部的温度场和热应力分布.探寻出了XKY-6×2000 MN型六面顶压机顶锤内部的温度场分布以及热应力取值.模拟结果表明加热顶锤内部温度分布不均匀,不均匀的温度分布产生了热剪切应力,热剪切应力峰值达到0.62 GPa,分布在41.5°小斜面上.加热顶锤内部的剪切应力值较非加热锤内部的剪切应力值高出18.0％.模拟分析结果与金刚石的高压合成实验事实相符,在理论上解释了加热顶锤使用寿命较非加热顶锤使用寿命短的原因,此项工作对于提高大顶锤使用寿命,降低生产 关键词： 热应力 顶锤 有限元法 工业金刚石     

静压法高石墨转化率的金刚石合成研究

 选用Ni-Mn-C粉末触媒,在国产DS6×800A型铰链式六面顶压机上实现了高石墨转化率的金刚石合成,其石墨转化率可达90%以上。高石墨转化率金刚石的合成,不仅有助于提高金刚石的效率,而且还可以减化提纯后处理工序。     

新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤的有限元分析

基于有限元法, 对新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤进行了分析与研究.研究结果表明: 新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤在不降低顶锤的传压效率的前提下, 能够将顶锤的使用寿命延长3.05%—16.75 %; 新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤获得的极限腔体压力值可增加至6.09 GPa, 较传统顶锤(5.80 GPa)提高5%, 从而扩宽高压下功能材料的合成区间.新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤的使用, 将降低六面顶液压机的使用成本, 促进高压技术和材料科学等学科的发展.     

静水压加载单晶MgO的超声测量与压力标定

通过对单晶MgO的高压声速测量,结合高压Brillouin散射数据,对静水压加载条件下六面顶压机高压腔中的压力进行了多点系统标定(系统油压从15 MPa到51 MPa,间隔2 MPa),建立了新的大腔体压机超声测量和压力标定技术。相比传统的仅采用2~3个标定压力点的方法,该技术在统计上更加可靠。结合LY12铝的高压声速测量,进一步验证了该压力标定方法的合理性。与固体传压组装相比,固液混合传压组装在相同油压下的压力值系统偏低,分析认为这主要是由于固体传压介质中的剪切效应导致标定压力值系统偏高造成的。     

用表面生长CVD金刚石的石墨合成高压金刚石

 用热灯丝CVD方法在多晶石墨衬底表面制备CVD金刚石颗粒，并用这种石墨在高温高压条件下采用六面顶压机合成出高压金刚石。初步实验结果表明：采用其表面生长CVD金刚石颗粒的石墨合成高压金刚石，可以提高金刚石的转化率和降低合成压力。     

高压下国产六面顶压机铰链梁和工作缸的应力分析

运用有限元理论,基于ANSYS对国产六面顶压机的铰链梁、工作缸和销轴进行了接触分析。模型中首次引入销轴,约束销轴的运动,使凸耳处的载荷情况更接近实际工况,避免了对铰链梁和工作缸单独分析所进行的大量近似和简化。模拟结果表明:铰链梁上的vonMises应力峰值主要分布在凸耳内通孔处,最大应力值为348.32 MPa;工作缸上的von Mises应力峰值主要分布在工作缸底部圆弧处,最大应力值为242.87 MPa;应力峰值均低于许用应力(486.67 MPa)。模拟结果得到了大量高压实验的验证。     

人造聚晶翡翠宝石

 综述了翡翠宝石的人工合成的进程及各种实验结果，给出了6×8MN六面顶高压装置的压力和温度工作曲线，对比了两面顶高压装置及六面顶高压装置上合成翡翠宝石的优缺点及解决办法，并做了合成高品级翡翠宝石的尝试。     

一种适用于极端高温条件的六面顶压机实验组装

参考活塞-圆筒高压设备常用的实验组装中热电偶的布局方式,设计了一种适用于极端高温条件的六面顶压机实验组装。在新的实验组装中,热电偶不再横穿石墨加热炉,而是在石墨炉中纵向分布,从石墨炉顶端横向引出。与传统的六面顶压机实验组装相比,这种新组装具有更强的高温稳定性。测试表明:在5GPa压力下,1 600℃时实验组装的稳定性能够保持48h以上,1 800℃时能够保持约30h,2 000℃时能够保持约10h。温度梯度测试表明,当组装的中心温度为1 454℃时,在组装中央4mm的范围内平均温度梯度仅有27℃/mm,低于中心温度的2%。较长的保温时间以及低温度梯度能进一步提高六面顶压机在地球科学研究领域中的应用。