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。     

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。     

二级6—8型大腔体装置的高压发生效率机理研究

利用自行设计与集成的二级6—8型大腔体静高压装置,研究了影响八面体压腔高压发生效率的主要因素及机理,并提出了一种八面体压腔密封的简化力学模型.针对于10/4（八面体传压介质边长为10 mm,二级WC立方体增压块截角边长为4 mm）组装的实验结果发现：预密封边尺寸会显著影响八面体压腔的压力产生效率;在腔体压力为12 GPa左右时,高压发生效率随八面体MgO传压介质初始密度的增加而提高;在15 GPa以上时,影响压力产生效率的主要因素是WC增压立方块本身的强度以及加压过程中所形成密封边的尺寸及材料. 关键词： 6—8型大腔体静高压装置 压力产生效率     

大腔体静高压技术的发展及应用

大腔体静高压技术在现代工业和高压科学研究中具有基础性的重要意义,已被广泛应用于工业和科研领域,如超硬材料的合成、凝聚态物质在高温高压极端条件下的行为与物性研究等。经过逾半个世纪的不懈努力,以国产铰链式六面顶压机为代表的大腔体静高压技术与设备取得了长足的发展和丰硕的成果,改变了长期以来我国大腔体静高压技术落后于国外的局面。文章以四川大学高压科学与技术实验室为例,对我国大腔体静高压技术及装置从起步研制到世界领先的发展历程和技术特点进行了介绍。同时,基于典型大腔体静高压技术、装置及主要应用,展望了我国相关领域的发展前景。     

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     

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。     

YJ-3000t型紧装式六面顶大腔体高温高压实验装置样品室的压力标定

 在温度为389~1 245 ℃和砧面压力为1.0~5.0 GPa的条件下,利用金属高压熔融标定法,采用Cu、Al、Zn和Pb四种金属,对YJ-3000t型紧装式六面顶大腔体高温高压实验装置样品室内的实际压力进行了标定。通过对由四种金属所获得的标定结果的多项式三维模拟,获得了以叶蜡石为外传压介质、氧化铝为内传压介质的情况下,由砧面压力和样品室温度估算样品室内实际压力的定量表达式。该结果可为今后该设备上类似实验组装中样品腔内实际压力的估算提供方便准确的压力标。     

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。     

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。     

A simple opposed-anvil apparatus for high pressure and temperature experiments above 10 GPa

A new opposed-anvil high pressure and temperature apparatus was developed based on the Drickamer-type apparatus. Various improvements were made to increase the sample volume and to generate high pressure and temperature stably and easily. By optimizing components such as the anvil, heater, and gasket, large sample volumes of about 4?mm³ (～10³ times more than that previously obtained with our previous apparatus) were achieved, with compact and light apparatus (outer diameter ? 40?mm; height 31?mm; weight 300?g). Pressures and temperatures up to about 15?GPa and 1700?K can routinely and stably be achieved by using this assembly. In order to extend the pressure range further, sintered diamond was used as an anvil material. As a result, pressures and temperatures of around 38?GPa and 1400?K were achieved, although the sample volume was decreased to about 1.3×10^?1?mm³.     

In-situ ultrasonic calibrations of pressure and temperature in a hinge-type double-stage cubic large volume press

Here, simultaneous in-situ calibration of pressures and temperatures was performed in a hinge-type second-stage cubic large volume press (LVP) up to 15 GPa and 1400 K by an acoustic travel-time approach. Based on the recently reported P-t_S and P-T-t_P-t_S equations for Al₂O₃ buffer rod, the cell pressures and temperatures in the chamber of LVP were in-situ determined, in comparison with those by conventional off-line (or fixed-points) pressure calibration method and direct thermocouple measurement, respectively. It is found that the cell pressures of the LVP chamber are significantly reduced after annealing at simultaneous high pressures and high temperatures, owing to the stress relaxation as accumulate in the LVP chamber. This acoustic travel-time method is verified to be a good way for precise determination of thermal (cell) pressures at high temperature conditions, and is of great importance and necessity to conduct in-situ physical property measurements under extreme high P-T conditions, especially when the precious synchrotron x-ray/neutron diffraction beams are not available.     

Theoretical description of thermomechanical effects in high pressure apparatus

Abstract

Numerical calculations are used to study stress-strain state of high pressure apparatus components in compression, heating, cooling and unloading with regard to large elastoplastic deformations, high pressures and temperatures, anisotropy of materials and contact interaction. Regularities of HPA components deformation in the processes under consideration are studied.     

一种以压力一维均匀分布为特征的长条形对顶压砧

针对圆形端面平面对顶压砧装置中压力梯度大的问题, 本文设计了一种长条形端面的平面对顶压砧, 相应的封垫也改为长条形. 原理分析表明: 这种压砧可在沿长条形中心线的狭长区域内产生均匀分布的高压力. 本文采用长20 mm宽5 mm长条形端面的硬质合金压砧配合叶腊石封垫进行压力标定, 实验结果显示: 这种装置可产生10 GPa以上的高压, 在长条形中心线上至少12 mm长度范围内的不同位置上产生的压力基本一致, 在2.55 GPa压力时测量偏差小于2.0%, 在7.7 GPa时测量偏差小于3.6%. 这种特点很有利于对细长样品进行精确的高压物性测量.     

PEARL: the high pressure neutron powder diffractometer at ISIS

The PEARL instrument at ISIS has been designed for, and dedicated to, in situ studies of materials at high pressure, using the Paris–Edinburgh press. In recent years, upgrades to the instrument have led to improvements in data quality and the range of achievable pressures and temperatures; currently 0.5–28?GPa and 80–1400?K. This paper describes the technical characteristics of the instrument, its current capabilities, and gives a brief overview of the science that has been performed, using representative examples.     

滑块式六含八超高压实验装置及其压力温度标定

报道了一种新型六含八超高压实验装置.三柱式的机体框架与滑块式上三下三模具同为三次对称结构,在力学上较为合理.该装置加压时具有自动校准位置能力,同步性和重复性好.模具推动八块硬质合金压砧在叶腊石八面体中产生高压.分别采用Bi丝和ZnTe晶体的压致相变点255,77,96,12 GPa,对截角边长8 mm压砧和125 mm边长叶腊石块组合的实验体系进行了室温下的压力标定,结果表明压力可达12 GPa以上.在10 GPa压力下,用WRe3-WRe25热电偶将温度标定到1560 ℃,并结合铁碳二元相图和钢 关键词： 压力标定 温度标定 六含八多压砧模具 高压装置     

Finite element analysis and experiment on high pressure apparatus with split cylinder

Ultra-high pressure belt-type die was designed with a large sample volume prism cavity and a split cylinder which was divided into eight segments to eliminate circumferential stress. The cylinder of this type die has no cambered surface on inner wall, and the inner hole is a hexagonal prism-type cavity. The divided bodies squeeze with each other, providing the massive support and lateral support effect of the cylinder. Simulation results indicate that the split cylinder with the prism cavity possesses much smaller stress and more uniform stress distribution. The split cylinder with the prism cavity has been shown to bear larger compressive stresses in radial, circumferential and axial directions due to its structure, and tungsten carbide is most effective in pure compression so this type cylinder could bear higher pressure. Experimental results prove that the high pressure apparatus with a prism-type cavity could bear higher pressure. The apparatus with a prism cavity could bear 52.2% more pressure than the belt-type die.