压力标定设计性实验的研究与开发

以高压下铋丝的电阻测量为例,开发了高压物性测量及压力标定物理实验项目,介绍了高压测量的实验原理和操作步骤,以及数据分析方法,丰富了大学物理设计性实验内容,提高了学生进行创新性思维的能力。     

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。     

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。     

六面顶压机上常温高压超声测量的样品组装设计

 简要介绍了高压超声测试技术中样品组装的设计原则。设计了一套新的样品组装,并测量了纯Al和纯Cu在常温下的等温状态方程。实验结果表明,新的组装能够实现较理想的准静水压加载,同时也能够测试出良好的超声信号。分析了六面顶压机上常温超声测量的主要误差来源。     

超高压碳化钨顶砧新结构的设计与研究

基于高压顶砧设计原理——大质量支撑原理,借助有限元仿真技术,开展了一体式超高压碳化钨顶砧新结构的设计与研究工作。研究结果表明,采用圆角技术以及凹形支撑区技术,设计出的新结构顶砧能够降低传统碳化钨顶砧拐角处的应力集中效应,同时为碳化钨顶砧提供足够的侧向支撑作用,从而大幅提高顶砧的性能;一体式超高压碳化钨顶砧的传压效率较传统顶砧升高58.5%、破裂几率较传统顶砧降低33%、获得的极限腔体压力较传统顶砧升高44.2%,达到9.56GPa。为大腔体、超高压环境下物质新结构与性质研究、新型功能材料的设计与合成研究提供了一种易于操作的可行性方案。     

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。     

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     

基于视觉测量的飞行器舵面角位移传感器标定

提出一种基于计算机单目视觉的飞行器副翼、襟翼、方向舵和升降舵角位移传感器的非接触标定方法.用共面的两个特征圆组成一标定靶固定在飞行器舵面上,用一台定焦数码摄像机对标定靶拍照,获得特征圆数字图像.经图像分析确定特征圆圆心及直径在像面上的透视投影位置和长度,根据透视投影逆变换原理建立物和像空间坐标关系的解算模型,进而导出靶面平面方程.飞行器舵面角位移则由标定靶面的法线方向余弦来表示.仿真结果表明,该方法具有标定过程快速、简单和准确的特点.不需事先标定摄像机内外部参量,其标定准确度优于0.2°.     

MgO单晶冲击变形产生点缺陷吸收谱的实时测量

为研究冲击塑性变形产生的缺陷对MgO单晶透明性的影响,采用40通道(波长)纳秒时间分辨高温计和冲击波原位光源技术,对在一维应变冲击加载下MgO单晶的透射谱进行了实验测量。冲击波加载方向垂直于样品(100)晶面,测谱范围为400~800nm,得到了2个压力点(约50GPa和约70GPa)的吸收系数随波长的变化曲线,从实测曲线发现了6个明显的特征吸收峰,其中心波长分别为410、460、490、520、580和660nm。通过对比分析,确定出410、460、490和580nm处的吸收峰为F聚心吸收,520nm处的吸收峰为V-心吸收,而660nm处的吸收峰则可能为与填隙原子相关的吸收。这是在冲击压缩条件下,首次实时观测到的MgO单晶样品冲击塑性变形产生的点缺陷色心吸收现象。     

单晶Nd3Co的低温压力效应研究

本文测量了沿Nd3Co单晶b轴在不同压力下电阻率随温度的变化,并对Nd3Co的居里温度和磁性转变场随压力的变化规律进行了研究.结果表明:随着压力的增大,样品剩余电阻率逐渐减小,居里温度平均每GPa 升高2.1 K,磁性转变场平均每GPa增大0.9 T.通过对结果的分析,可以认为压力增大使样品中原子间距变小,晶粒间的连接更加紧密,导致电阻率减小;原子间距变小,4f电子和传导电子间的关联增强,导致样品中Nd离子磁矩的转向变得困难,从而磁性转变场增大.     

Hydrostatic pressure and temperature calibration based on phase diagram of bismuth

Under high-temperature and high pressure (HTHP) experiments, materials of small elastic modulus deform easily, and the length of the sample can be hardly predicted which lead to failure of ultrasonic velocity measurement. In this paper, a hydrostatic assembly of the sample for ultrasonic measurements is designed under HPHT, which can prevent plastic deformation. According to the abrupt change of travel time of the sample across the different phase boundaries of bismuth, the correspondent relation of sample pressure and oil pressure of multi-anvil apparatus can be calibrated, and the relation of sample temperature and temperature measured by thermocouple can also be determined. Sample pressure under high temperature is also determined by ultrasonic results. It is believed that the new sample assembly of hydrostatic pressure is valid and feasible for ultrasonic experiments under HTHP.     

用于液压传感的双芯光子晶体光纤

采用全矢量有限元方法进行光纤设计优化,得到横截面上失去两层空气洞的双芯光子晶体光纤,可用于液压传感.优化的双芯光子晶体光纤的模场半径和数值孔径与单模光纤基本一致,在优化的双芯光子晶体光纤和单模光纤之间有一个相对较低的熔接损耗.计算结果表明由模场半径和数值孔径导致的不匹配造成的总共损耗可低至0.026 dB,低于传统光子晶体光纤和单模光纤0.1 dB的直接熔接损耗.对基于20 cm双芯光子晶体光纤的液压传感器的性能进行研究,结果表明在0～500 MPa量程内的灵敏度为-1.6 pm/MPa.     

探究性学习在声速测量实验课中的运用

为了进一步提高大学物理实验课堂教学的质量,根据探究性学习的特点,构建声速测量实验课的实验教学过程,采用创建探究方向、拓展探究方向和加大探究自由度及激励机制,从而提高了大学物理实验课堂教学的自主性、实践性、开放性和激励性。     

高压下Nb3Sn单晶的超导相转变

研究高压下Nb₃Sn单晶的超导相转变行为对探究力学变形诱导的材料超导性能弱化机理有重要意义。通过分子动力学模拟研究了Nb₃Sn单晶在高压下的原子尺度变形和晶体结构变化,在此基础上,建立了高压下Nb₃Sn单晶的超导相转变模型,模型预测结果与实验观测结果吻合较好。结果表明:静水压作用下,Nb₃Sn单晶体发生了明显的晶格畸变,但晶体结构保持完整;压力诱导的费米面上电子态密度的变化在高压下Nb₃Sn单晶体超导相转变中起主导作用。所得研究结果为研究高压下Nb₃Sn多晶体以及复合多晶体的相转变行为奠定了基础,同时有助于进一步认识Nb₃Sn材料超导性能的弱化机理。     

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。     

Generation and removal of pits during chemical mechanical polishing process for MgO single crystal substrate

Magnesium oxide (MgO) single crystal is an important substrate for high temperature superconductor, ferroelectric and photoelectric applications. The function and reliability of these devices are directly affected by the quality of polished MgO surface because any defect on the substrate, such as pit or scratch, may be propagated onto device level. In this paper, chemical mechanical polishing (CMP) experiments were conducted on MgO (1 0 0) substrate using slurry mainly comprised of 1-hydroxy ethylidene-11-diphosphonic acid (HEDP) and silica or ceria particles. Through monitoring the variations of the pits topography on substrate surface, generation and removal mechanism of the pits were investigated. The experimental results indicate that the pits were first generated by an indentation or scratch caused by particles in the slurry. If the rate of chemical etching in the defect area is higher than the material removal rate, the pits will grow. If chemical reaction in the defect area is slower than the material removal rate, the pits will become smaller and eventually disappear. Consequently, these findings may provide insight into strategies for minimizing pits during CMP process.     

用于暗物质探测实验的CsI(Tl)晶体探测器性能的实验研究

在直接测量暗物质的实验中,反冲核能量的Quenching Factor是一个重要参数.用低能X射线源对一套测量入射中子引起的反冲核能量Quenching Factor的系统进行了能量刻度,得到了这套系统的能量响应关系.PMT单光电子的发射对应于晶体中的能量沉积约为0.32keV.同时研究了不同能量的X射线引起的PMT输出电流信号的积分时间宽度与积分电荷的关系,得到最佳的PMT输出电荷收集条件.