CN100486684C - 用于产生超高压的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生超高压的新型装置，包括由六面顶压机同步驱动的六个顶锤(4)、八个切去一角的正方体(6)组成的增压单元(1)和用于内装合成原料的八面体合成块(8)，其中，增压单元(1)置入与之相匹配的由六个顶锤(4)合围而成的六面体高压腔(9)内，八面体合成块(8)置入与之相匹配的由正方体(6)合围而成的八面体高压腔(5)内，组成增压单元的八个正方体(6)之间填充有硬度小于切角正方体的可形变支撑物。本发明与现有技术的基于二面顶构架的二级六—八面体静高压装置相比，具有结构简单、压强转换率高、造价低、运行能量消耗少、维修工作量少等优点。

Description

用于产生超高压的装置
技术领域
本发明涉及在材料合成中使用的的压装置，更具体地说，是在超硬材料合成中使用的静高压装置。
技术背景
人造金刚石、立方氮化硼(cBN)、B6O等超硬材料的合成需要高温高压环境，合成中使用的最主要的设备是大腔体静高压装置。大腔体静高压装置始于上世纪初Bridgman等发展的高压技术，主要包括两面体和多面体压腔装置，两面体压腔装置(两面顶压机)所产生的最高压力约为12GPa，可以满足制备一般质量超硬材料的需要，但制备质量更高的超硬材料则需要更高的压强。多面体压腔装置包括六面体压腔装置(六面顶压机)和八面体压腔装置等，其中六面顶压机包括拉杆式六面顶压机、铰链式六面顶压机以及基于两面顶压机构架的六面顶压机。拉杆式六面顶压机的结构复杂，加工困难，造价极高，已很少被采用；铰链式六面顶压机的结构紧凑，加工及安装相对简单，造价也相对便宜，但是所能达到的最高压强为7GPa左右，不能满足制备高质量超硬材料的需要；基于两面顶压机构架的六面顶压机，通过采用滑块式组装将两面体压腔转变为六面体压腔构成。八面体压机则是在两面顶压机通过滑块组装转变为六面顶压机后，再在六面体压腔内置入二级八面体增压单元，组成二级六—八面体压腔静高压装置，其结构如附图1所示。通常使用碳化钨作为第二级八面体增压单元材料，最高压力可达30Gpa，最高温度可达2500K(USP3517413)，如将第二级八面体增压单元材料换成多晶立方体氮化硼(PCBN)或金刚石(PCD)的烧结体，其最高压力可提高至约50GPa。目前国际一流水平的静高压实验室使用的多面体静高压装置均基于两面顶压机构架。中国从美国订购一套二级六—八面体大腔体静高压装置，加上安装费用，总计约合近五百万元人民币，价格昂贵。除此之外，这种基于两面顶压机的二级六—八面体大腔体静高压装置，由于设计有将两面顶压机转换为六面顶压机的滑块，因而存在压强转换率低、装置结构复杂、运行能量消耗高、维修工作量大等不足。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中用于产生超高压的大腔体静高压装置存在的不足，旨在提供一种结构简单、压强转换率高、造价低、运行能量消耗少、维修工作量少的用于产生超高压的新型装置。
本发明所述的用于产生超高压的新型装置，是在六面顶压机的六面体压腔内增加一个八面体增压单元，组成基于六面顶压机构架的六—八面体大腔体静高压装置。该装置包括由六面顶压机同步驱动的六个顶锤、八个切角正方体组成的增压单元和用于内装合成原料的八面体合成块，其中，增压单元置入与之相匹配的由六个顶锤合围而成的六面体高压腔内，八面体合成块置入与之相匹配的由八个切角正方体合围而成的八面体高压腔内，组成增压单元的八个正方体之间填充有硬度小于切角正方体的可形变支撑物。为了使六面顶压机的六个顶锤在接触增压单元后能够继续前进对增压单元施压，顶锤作用于增压单元的锤面尺寸应不大于增压单元一个作用面的尺寸，顶锤的锤面尺寸与增压单元一个作用面的尺寸之间的比例最好为1～0.5:1。同理，为了使八个切角正方体在接触八面体合成块后能够继续前进对八面体合成块施压，正方体切角后形成的切面尺寸应小于八面体合成块一个作用面的尺寸，正方体切面尺寸与八面体合成块一个作用面的尺寸之间的比例最好为0.95～0.1:1。八个切角正方体之间，除其所围成的空腔外，选用木材或高分子材料为填充物来支撑正方体以便组成增压单元。为了获得更高的压强，正方体的材质可以选用碳化钨、金刚石、立方氮化硼、B6O多晶烧结体中的一种，或选用碳化钨、金刚石、立方氮化硼、B6O多晶烧结体之间相互复合所形成的复合材料中的一种。所述六面顶压机最好采用铰链式六面顶压机。所述六面顶压机顶锤的材质为硬质合金钢。
本发明所述的用于产生超高压的新型装置的高压系统工作原理为，首先由六面顶压机的液压系统同步驱动三个顶锤空进至与八面体增压单元接触，顶锤在液压系统持续推进下继续挤压八面体增压单元，八面体增压单元的八个正方体在顶锤的推动下向其所围成的空腔压缩，挤压八面体合成块，在其内部产生超高压。由于顶锤的作用于增压单元的锤面尺寸小于增压单元一个作用面的尺寸，所以顶锤在整个前进的过程中不会发生碰撞，另外组成增压单元的八个正方体之间填充有硬度小于切角正方体的可形变支撑物，所以增压单元在整个挤压八面体合成块的过程中不会发生碰撞，直至八面体合成块的压力达到预定值，进行保压。合成完毕后，由液压系统驱动的顶锤退回至初始位置即可取出增压单元，进而从增压单元中取出合成块。
本发明所述的一种用于产生超高压的新型装置的加热系统工作原理为，电源的两端与六面顶压机的一对相对的顶锤(一般为上下顶锤)相连，顶锤在与增压单元相应的正方体接触后形成电连接，正方体通过切角面与八面体合成块的发热体电连接，形成一个闭合回路。八面体合成块中的发热体在通电后发热，产生高温环境，对原料进行合成。
本发明所述的一种用于产生超高压的新型装置与现有的基于二面顶构架的二级六—八面体大腔体静高压装置相比，主要的优点在于：
1、本发明所述装置可产生约50GPa、3000K的高温高压条件，整体性能优于现有的同类设备。
2、从力学原理角度讲，在六面顶压腔中直接内置二级八面体增压单元，比基于两面顶压机构架的二级六—八面体压腔装置产生压强的效率更高。这是因为基于两面顶压机构架的二级六—八面体静高压装置首先采用滑块组装将两面体压腔转换成六面体压腔，在两面体压腔转换成六面体压腔的过程中，摩擦力带来的消耗功不可避免，大大降低了压强的转换效率；而本发明所述的静高压装置则完全省却了这一步，实现了直接从六面体压腔向八面体压强转换。
3、从设计、制造、安装角度讲，本发明省却了两面体压腔到六面体压腔转换这一步，节省了设计、制造和安装成本，节约了原材料，使成本大大降低，仅为同吨位的基于两面顶压机构架的二级六—八面体静高压装置的四分之一左右。
4、从运行的角度讲，本发明省却了两面体压腔到六面体压腔转换这一步，减少了能量传递的过程，避免了摩擦力转化为热能等其他能量所做负功，节省了能源。
5、从维护的角度讲，本发明省却了两面体压腔到六面体压腔转换这一步，减少了设备出错率，提高了设备运行稳定性，增加了设备使用寿命，减少了维修人员工作量。
本发明所述装置还具有其它方面的优点。
附图说明
附图1为基于二面顶压机构架下的二级六—八面体静高压装置示意图；
附图2为本发明的基于六面顶压机构架的八面体静高压装置示意图；
附图3为八面体增压单元结构的放大示意图；
附图4为增压单元中一个正方体的放大图；
附图5为八面体合成块的放大图。
附图中各标号标示对象为：
1—八面体增压单元，2—二面顶压机顶锤，3—二面顶压机向六面顶压机转换用滑块，4—六面顶压机的顶锤，5—八面体高压腔，6—增压单元中的正方体，7—正方体的切角面，8—合成块，9—六面体高压腔。
具体实施方式
用于产生超高压的新型装置，其结构如图2、3、4所示，为铰链式六面顶压机构架的八面体大腔体静高压装置，该装置包括由六面顶压机同步驱动的六个顶锤4、八个切去一角的正方体6组成的八面体增压单元1和用于内装合成原料的八面体合成块8，其中，顶锤4的材质为硬质合金钢，增压单元1置入与之相匹配的由六个顶锤4合围而成的六面体高压腔9内，八面体合成块8置入与之相匹配的由材质为WC的正方体6合围而成的八面体高压腔内，组成增压单元的八个正方体之间填充有木材支撑物。为了使六面顶压机的六个顶锤在接触增压单元后能够继续前进对增压单元施压，顶锤的作用于增压单元的锤面尺寸与增压单元一个作用面的尺寸的比例为0.8(比例在1至0.5范围)。同理，为了使八个切角正方体在接触八面体合成块后能够继续前进对八面体合成块施压，正方体切角后形成的切面尺寸与八面体合成块一个作用面的尺寸的比例为0.7(比例在范围1至0.1)。

Claims (9)

1、一种用于产生超高压的装置，其特征在于包括由六面顶压机同步驱动的六个顶锤(4)、八个切角的正方体(6)组成的增压单元(1)和用于内装合成原料的八面体合成块(8)，其中，增压单元(1)置入与之相匹配的由六个顶锤(4)合围而成的六面体高压腔(9)内，八面体合成块(8)置入与之相匹配的由正方体(6)合围而成的八面体高压腔(5)内，组成增压单元的八个正方体(6)之间填充有硬度小于切角正方体的可形变支撑物。
2、根据权利要求1所述的用于产生超高压的装置，其特征在于所述顶锤(4)作用于增压单元(1)的锤面尺寸不大于所述增压单元(1)一个作用面的尺寸。
3、根据权利要求2所述的用于产生超高压的装置，其特征在于所述顶锤(4)作用于增压单元(1)的锤面尺寸：所述增压单元(1)一个作用面的尺寸＝1～0.5：1。
4、根据权利要求1所述的用于产生超高压的装置，其特征在于所述正方体(6)切角后形成的切面(7)尺寸小于所述八面体合成块一个作用面的尺寸。
5、根据权利要求4所述的用于产生超高压的装置，其特征在于所述正方体(6)切角后形成的切面(7)尺寸：所述八面体合成块一个作用面的尺寸＝0.95～0.1：1。
6、根据权利要求1所述的用于产生超高压的装置，其特征在于所述顶锤(4)的材质为硬质合金钢。
7、根据权利要求1所述的用于产生超高压的装置，其特征在于所述切角正方体(6)的材料选自碳化钨、金刚石、立方氮化硼、B6O多晶烧结体中的一种，或选自它们之间的复合材料中的一种。
8、根据权利要求1所述的用于产生超高压的装置，其特征在于所述支撑物选用木材或高分子材料。
9、根据权利要求1至8中任一权利要求所述的用于产生超高压的装置，其特征在于所述六面顶压机为铰链式六面顶压机。
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