基于國產(chǎn)六面頂壓機(jī)的二級(jí)6-8型大腔體靜高壓裝置(上)

王海闊,賀端威

(1河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,鄭州450007;2.四川大學(xué)原子與分子物理研究所,成都610065)

基于國產(chǎn)六面頂壓機(jī)的二級(jí)6-8型大腔體靜高壓裝置(上)

王海闊1,賀端威2

(1河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,鄭州450007;2.四川大學(xué)原子與分子物理研究所,成都610065)

主要介紹基于國產(chǎn)六面頂壓機(jī)構(gòu)建的二級(jí)6-8型大腔體靜高壓裝置的力學(xué)結(jié)構(gòu),壓力標(biāo)定,加熱組裝設(shè)計(jì),溫度標(biāo)定,以及采用金剛石復(fù)合材料作為二級(jí)頂錘產(chǎn)生超高壓的一些探索性工作。一系列的結(jié)果表明,基于六面頂壓機(jī)的二級(jí)增壓裝置的研發(fā)成功,促進(jìn)了國內(nèi)高壓科學(xué)與技術(shù)及新型超硬材料的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)表明,自行研制的多晶金剛石—硬質(zhì)合金復(fù)合末級(jí)壓砧可使基于國產(chǎn)六面頂壓機(jī)構(gòu)架的二級(jí)加壓系統(tǒng)的壓力產(chǎn)生上限從約20 GPa提高到35 GPa以上,拓展了國內(nèi)大腔體靜高壓技術(shù)的壓力產(chǎn)生范圍。應(yīng)用這一技術(shù),我們期望經(jīng)過末級(jí)壓砧材料與壓腔設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化,在基于國產(chǎn)六面頂壓機(jī)的二級(jí)6-8型大腔體靜高壓裝置壓腔中產(chǎn)生超過50 GPa的高壓。

六面頂壓機(jī);綜述;壓力標(biāo)定;金剛石頂錘;35 GPa

1 引言

壓力(強(qiáng))類同于溫度及化學(xué)組份,是決定物質(zhì)存在狀態(tài)與導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物性改變的基本熱力學(xué)要素之一。高壓科學(xué)與技術(shù)可廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、新能源、地學(xué)與行星科學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域,其中應(yīng)用于材料領(lǐng)域最經(jīng)典的例子就是人造金剛石與立方氮化硼超硬材料的高溫高壓合成。高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)是進(jìn)行高壓下材料合成及物性研究的物質(zhì)基礎(chǔ)。

高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)分為靜高壓與動(dòng)高壓,其中靜高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)又分為大腔體(樣品尺寸大于1 mm3)靜高壓技術(shù)與小腔體靜高壓技術(shù)(如:金剛石對(duì)頂砧等)。金剛石對(duì)頂砧裝置可產(chǎn)生600萬大氣壓以上(～600GPa)的壓力[1],但樣品尺寸只有微米量級(jí)。大腔體靜高壓裝置可分為一級(jí)大腔體靜高壓裝置與二級(jí)(或多級(jí))大腔體靜高壓裝置。一級(jí)大腔體靜高壓裝置主要包括兩面頂與一級(jí)多面頂壓腔裝置。目前兩面頂壓腔裝置如:凹曲面壓腔(Toroidal-anvil press)、年輪式壓腔(Belt press)、柱塞式壓腔(Piston-cylinder press)所能產(chǎn)生的最高壓強(qiáng)分別約為15 GPa、8 GPa、5 GPa,其中凹曲面壓腔與柱塞式壓腔多用于科學(xué)研究,年輪式壓腔主要用于工業(yè)生產(chǎn)[2-11]。一級(jí)多面頂壓腔裝置主要包括四面頂壓機(jī)(Tetrahedral press)與六面頂壓機(jī)(Cubic press)。其中,四面頂壓機(jī)目前已很少用于科研與生產(chǎn);六面頂壓機(jī)在國內(nèi)應(yīng)用最普遍,當(dāng)六面頂壓機(jī)頂錘作用面面積大于20×20 mm2時(shí),其可產(chǎn)生的最高壓強(qiáng)約為9GPa[2-4],樣品尺寸可達(dá)到cm量級(jí)。應(yīng)用最廣的二級(jí)或多級(jí)大腔體靜高壓裝置通常又稱八面體壓機(jī),由八個(gè)二級(jí)頂錘和八面體傳壓介質(zhì)組成的二級(jí)(末級(jí))增壓單元置于一級(jí)(前級(jí))壓腔內(nèi)產(chǎn)生高壓,如采用碳化鎢(WC)二級(jí)頂錘,可產(chǎn)生的最高壓強(qiáng)約為25 GPa,如采用聚晶金剛石二級(jí)頂錘,壓強(qiáng)極限可提高至80 GPa以上[12]。

本文主要介紹筆者所在實(shí)驗(yàn)室研制的基于國產(chǎn)六面頂壓機(jī)構(gòu)建的二級(jí)6-8型大腔體靜高壓裝置的力學(xué)結(jié)構(gòu)、壓力標(biāo)定、加熱組裝設(shè)計(jì)、溫度標(biāo)定以及采用金剛石作為二級(jí)頂錘產(chǎn)生超高壓的一些探索性工作。

2 國外多級(jí)大腔體增壓技術(shù)介紹

二級(jí)大腔體靜高壓裝置可達(dá)數(shù)十GPa和2000℃以上的壓力溫度條件,并能與同步輻射X射線衍射技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的原位測(cè)量。目前,國際上使用的多級(jí)增壓裝置大多基于兩面頂壓機(jī)構(gòu)建,通過采用滑塊式組裝將兩面頂壓腔轉(zhuǎn)變?yōu)榱骓攭呵?再內(nèi)置八面體增壓單元,轉(zhuǎn)化為2-6-8型大腔體靜高壓裝置(圖1)[13,14]。國外基于兩面頂壓機(jī)構(gòu)建的二級(jí)增壓裝置已發(fā)展得比較成熟,當(dāng)采用聚晶金剛石二級(jí)頂錘時(shí),腔體壓強(qiáng)可達(dá)到80 GPa以上。壓力溫度條件的提升,使得研究人員揭示了大量新物理現(xiàn)象并促進(jìn)了新型材料的合成,如在約15 GPa、2700 K的溫度壓力條件下進(jìn)行了石墨直接轉(zhuǎn)化為納米聚晶金剛石(NPD)的實(shí)驗(yàn)。圖2(a)為石墨直接轉(zhuǎn)化為NPD的壓力溫度區(qū)域圖[15,16],圖2(b)為日本愛媛大學(xué)合成的直徑為6～8mm的NPD的光學(xué)圖片;另外,在8～20 GPa、2100～2300 K的溫度壓力條件下進(jìn)行了六方氮化硼(hBN)直接轉(zhuǎn)化為納米聚晶立方氮化硼(NPcBN)的實(shí)驗(yàn),圖2(c)為hBN直接轉(zhuǎn)化為NPcBN的溫度壓力區(qū)域圖[17]。NPD與NPcBN具有極高的硬度與耐磨性(分別高于金剛石和立方氮化硼單晶)[15-17],其工業(yè)化必將引起超硬材料行業(yè)的革命。國外科研單位已經(jīng)投入巨資研發(fā)相關(guān)設(shè)備,如日本愛媛大學(xué)亞洲地球物理中心已投入相當(dāng)上億元人民幣的資金來完成二級(jí)大腔體靜高壓裝置的大型化(日本正在進(jìn)行的十項(xiàng)COE項(xiàng)目之一),以使NPD與NPcBN產(chǎn)業(yè)化。在日本以及德國,為了使大腔體靜高壓裝置的腔體達(dá)到5～8 mm,同時(shí)溫度壓力條件達(dá)到12 GPa、2300 K以上,通常使用基于5000～6000噸的兩面頂壓機(jī)構(gòu)架的多級(jí)加壓裝置[14]。引進(jìn)一套此類裝置所需費(fèi)用需約五千萬元(人民幣),近年來,我國已有單位從國外訂購了整套的基于1000噸兩面頂壓機(jī)構(gòu)架的2-6-8型大腔體靜高壓裝置(樣品直徑為1～2 mm),從訂貨到安裝調(diào)試所需總費(fèi)用合計(jì)約五百萬元(人民幣),主要組裝(消耗)件亦須從國外購買,運(yùn)行成本非常高,且由于合成腔體小,目前只能用于科學(xué)研究。

盡管2-6-8型多級(jí)大腔體靜高壓技術(shù)已成熟運(yùn)用于歐、美、日等國家的高溫高壓實(shí)驗(yàn)室中,但國內(nèi)的多級(jí)增壓技術(shù)發(fā)展起步晚,技術(shù)水平相對(duì)落后。2007年,筆者所在實(shí)驗(yàn)室開始研制基于國產(chǎn)鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)構(gòu)建的二級(jí)6-8型大腔體增壓裝置,到目前為止,已發(fā)展了14/8、12/6和10/4(八面體傳壓介質(zhì)的邊長/末級(jí)壓砧正三角形截面的邊長,單位長度:mm)三種組裝,14/8和12/6組裝可達(dá)到的最大腔體壓力約為18 GPa,10/4組裝的最大腔體壓力約為20 GPa。

圖1 基于兩面頂壓機(jī)的多級(jí)增壓裝置示意圖Fig.1 Schematic of two-stage(multi-stage)apparatus based on two-anvil/Uniaxial press

圖2 (a)為石墨直接轉(zhuǎn)化為NPD的壓力溫度區(qū)域圖,(b)為日本愛媛大學(xué)合成的直徑為6～8mm的NPD的光學(xué)圖片,(c)為hBN直接轉(zhuǎn)化為NPcBN的溫度壓力區(qū)域圖[17]Fig.2 (a)area chart of pressure and temperature of direct transfore of graphite into NPD,(b)optical image of nano-polycrystalline diamonds(NPD)of a diameter of 6～8mm synthesized at Ehime University in Japan(c)area chart of pressure and temperature of direct transfore of hBN into NPcBN[17]

3 國內(nèi)(四川大學(xué))二級(jí)6-8型大腔體靜高壓裝置發(fā)展?fàn)顩r

3.1 基于國產(chǎn)六面頂壓機(jī)的二級(jí)靜高壓裝置的力學(xué)結(jié)構(gòu)

原理上,在六面頂壓機(jī)內(nèi)直接放置二級(jí)八面體增壓單元,省去了由兩面頂向六面頂轉(zhuǎn)換的過程,從而減少了系統(tǒng)由兩面頂轉(zhuǎn)換成六面頂時(shí)滑塊之間所產(chǎn)生的摩擦[18]。所以,基于六面頂壓機(jī)構(gòu)架的6-8型大腔體靜高壓裝置的高壓發(fā)生效率要比基于兩面頂壓機(jī)構(gòu)架的2-6-8型大腔體靜高壓裝置高。圖3為基于國產(chǎn)六面頂壓機(jī)的6-8型二級(jí)大腔體靜高壓裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。一級(jí)壓腔由6個(gè)碳化鎢頂錘構(gòu)成,油缸推動(dòng)6個(gè)一級(jí)頂錘合圍而形成一個(gè)用于放置二級(jí)增壓單元的立方體壓腔。二級(jí)壓腔由8個(gè)截面為正三角形的截角立方塊(多為碳化鎢或聚晶金剛石材質(zhì))構(gòu)成,組合后8個(gè)截面合圍而形成一個(gè)用于放置八面體傳壓介質(zhì)的二級(jí)八面體壓腔。8個(gè)截角立方塊、1個(gè)八面體傳壓介質(zhì)與12個(gè)葉蠟石密封條等組件組成立的方的二級(jí)增壓單元。

圖3 本實(shí)驗(yàn)室基于國產(chǎn)六面頂壓機(jī)的二級(jí)大腔體靜高壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of two-stage large cavity static high pressure device based on the domestic cubic press at our laboratory

本實(shí)驗(yàn)室使用高純氧化鎂作為傳壓介質(zhì),密封條材質(zhì)為天然葉蠟石,八面體傳壓介質(zhì)的邊長與二級(jí)頂錘的截角邊長以一定的比例匹配。當(dāng)六面頂壓機(jī)開始工作,使6個(gè)一級(jí)頂錘作用在二級(jí)增壓單元的六個(gè)表面,推動(dòng)8個(gè)二級(jí)頂錘前進(jìn),擠壓氧化鎂八面體傳壓介質(zhì),在腔體內(nèi)部建立高壓。加載過程中,放置于立方塊之間的密封條受到擠壓而形成密封邊。油壓加載力一部分通過二級(jí)頂錘錘面(正三角形倒角)直接作用在傳壓介質(zhì)上,在高壓腔內(nèi)產(chǎn)生高壓;另一部分作用在葉蠟石密封邊處,通過密封邊材料的內(nèi)摩擦力及與二級(jí)頂錘的外表面之間的摩擦力共同構(gòu)成對(duì)八面體高壓腔的密封。

3.2 不同組裝高壓腔內(nèi)壓力的標(biāo)定

本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了14/8、12/6和10/4三種組裝,對(duì)二級(jí)6-8型大腔體裝置的高壓發(fā)生效率機(jī)理進(jìn)行了研究[6],并對(duì)其力學(xué)結(jié)構(gòu)及末級(jí)壓砧硬度對(duì)八面體壓腔高壓發(fā)生效率的影響進(jìn)行了分析[7]。我們分別對(duì)三種組裝的高壓腔內(nèi)部進(jìn)行了壓力標(biāo)定,壓力標(biāo)定采用定點(diǎn)標(biāo)壓法。實(shí)驗(yàn)使用的標(biāo)壓物質(zhì)及物質(zhì)相變點(diǎn)有Bi(Ⅰ-Ⅱ,2.55 GPa)、Bi(Ⅲ-Ⅳ,7.7 GPa)[19,20]、Zn Te(I-II,5 GPa)、Zn Te(Ⅱ-Ⅲ,8.9～9.5 GPa)、Zn Te(Ⅲ-Ⅳ,11.5～13 GPa)[21,22]、ZnS(15.6 GPa)[23]和GaAs(19.3 GPa)[24],取Zn Te (Ⅱ-Ⅲ,8.9～9.5 GPa)的壓力相變點(diǎn)為9.2 GPa,取Zn Te(Ⅲ-Ⅳ,11.5～13 GPa)的壓力相變點(diǎn)為12.3 GPa。

標(biāo)壓實(shí)驗(yàn)過程為:將標(biāo)壓物質(zhì)放置于氧化鎂傳壓介質(zhì)中,通過恒流源設(shè)置恒定的電流使之通過標(biāo)壓物質(zhì),選用多通道記錄儀中的兩個(gè)通道分別對(duì)油壓和電壓信號(hào)進(jìn)行原位測(cè)量,測(cè)量的電壓信號(hào)可通過歐姆定律轉(zhuǎn)化為電阻信號(hào),進(jìn)而判斷標(biāo)壓物質(zhì)的相變點(diǎn)。壓力標(biāo)定的電路連接如圖4所示。通過六面頂壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)設(shè)定壓機(jī)運(yùn)行的油壓曲線進(jìn)行高壓加載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,用軟盤從多通道記錄儀拷貝出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),然后使用軟件讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析,找出已知標(biāo)壓物質(zhì)電阻突變時(shí)所對(duì)應(yīng)的液壓系統(tǒng)加載油壓值,建立加載油壓與標(biāo)壓物質(zhì)相變壓力的關(guān)系,從而獲得油壓與腔體壓力的壓力標(biāo)定曲線。

圖4 壓力標(biāo)定的電路連接[7]Fig.4 Circuit connection diagram of pressure calibration

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Two stage 6-8 Type Large Cavity Static High Pressure Device Based on the Domestic Cubic Press

WANG Hai-kuo*1,HE Duan-wei2*
(1.School of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,450007,China; 2..Institute of Atomic and Molecular Physics,Sichuan University,610065,China)

The mechanical structure,pressure calibration,heating assembly design and temperature calibration of two stage 6-8 type large cavity static high pressure device based on the domestic cubic press are introduced in this article.Some exploratory work to obtain ultrahigh pressure by using PDC as two-stage anvils has also been conducted.A series of results show that the successful development of the two stage 6-8 type large cavity static high pressure device based on the domestic cubic press promotes the development of domestic high pressure science and technology and the new type of superhard materials. Experiment shows that the self developed polycrystalline diamond-cemented carbide composite end-stage anvil can increase the press generation limit of the two stage 6-8 type large cavity static high pressure device based on the domestic cubic press from around 20 GPa to over 35 GPa.Therefore,the press generation range of domestic large cavity statichigh pressure device has been expanded.We are expecting to furthter potimize the endstage anvil materail and the pressure cavity design to generate high press of 50 GPa in the two stage 6-8 type large cavity static high pressure device based on the domestic cubic press through application of this technique.

cubic press;pressure calibration;diamond anvil;35 GPa

TQ164

A

1673-1433(2015)02-0006-05

2015-01-25

王海闊(1984-),男,博士,主要從事高溫高壓下超硬材料合成及大腔體超高壓設(shè)備的研發(fā)。率先在國內(nèi)利用自行研制的多晶金剛石二級(jí)頂錘在國產(chǎn)六面頂壓機(jī)上產(chǎn)生了35 GPa的高壓,創(chuàng)造了國內(nèi)六面頂壓機(jī)的壓強(qiáng)產(chǎn)生記錄。作為主要參與者在國內(nèi)首次完成了石墨無觸媒直接轉(zhuǎn)化為納米金剛石聚晶的實(shí)驗(yàn)。

王海闊,賀端威.基于國產(chǎn)六面頂壓機(jī)的二級(jí)6-8型大腔體靜高壓裝置(上)[J].超硬材料工程,2015,27(2):6-10.