CN101804313B - 一种顶锤-预密封边高压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶锤-预密封边高压装置，其特点是该装置包括六面顶压机同步驱动的六个顶锤(1)，六个四棱台(4)与带有十二条预密封边(3)的传压介质合成块(2)组成的增压单元(6)。增压单元(6)放入由六面顶压机六个顶锤(1)组成的高压腔内。本装置与现有的六面顶压机的增压装置相比，具有压力分布更均匀，样品腔更大，可延长顶锤使用寿命等优点。并使压力产生效率比现有装置提高了30％，压力极限由6GPa提高至8Gpa。

Description

一种顶锤-预密封边高压装置

技术领域

本发明涉及一种顶锤-预密封边高压装置，具体的说，是在金刚石和立方氮化硼及其复合材料合成时使用的大腔体静高压装置，属于超硬材料生产中的高压设备领域。

背景技术

压力和温度一样是决定物质存在状态的基本热力学要素，在高压极端条件下，许多物质会出现新的结构和新的性质。因此，高压被广泛应用于材料、地学、行星科学、国防等研究领域。六面顶压机是产生超高压力的装置之一，广泛应用于国内外科研院所和超硬材料生产领域。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。其中拉杆式六面顶压机和基于两面顶压机构架的六面顶压机分别因造价高和压力产生效率较低而基本不用于工业生产。具统计，2007年中国金刚石产量近44亿克拉，约占世界市场的80％(邹广田，《第五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集》序言。12008)，这些金刚石基本是用铰链式六面顶压机生产的。

现在工业中六面顶压机所使用的压力产生单元是由六个同步的碳化钨顶锤和可容纳样品材料的叶蜡石传压介质所组成。在使用此种增压单元时，六面顶压机所能产生的最高压力始终没有突破6GPa。在腔体压力超过5GPa时，六面顶压机压力产生效率将急剧下降，大部分的加载被消耗在叶蜡石密封边上，如果继续加压将会破坏顶锤而使试验和生产成本大大提高(LeiMing Fang，Duanwei He et al.，High Pressure Research.27，367 2007)。但是，某些重要的物质和工业生产材料，例如金刚石聚晶(PCD)和立方氮化硼复合片(PCBN)，在6-8GPa这个压力范围内会出现一些新的性能，例如：金刚石颗粒在压力达到6-8GPa时会发生更多的塑性形变，使颗粒的界面充分接触从而能在金刚石颗粒之间形成大量的D-D建合，得到高相对密度、高硬度、高耐磨性的金刚石复合材料；在压力达到约8GPa时，立方氮化硼颗粒之间会形成B-N键，从而可得到更高硬度的、透明的，立方氮化硼复合材料(J.Qian et al.，J.Mater.Res.17，2153 2002。Takashi Taniguchi，Minoru Akaishi，and ShinobuYamaoka，H.J.Mater.Res.14，162 1999。YWang，G A Voronin，TWZerda，and A Winiarski，H.Herberhold，J.Phys.：Condens.Matter.18，275 2006)。然而基于六面顶压机以碳化钨为顶锤材料叶蜡石为传压介质能够产生6-8GPa压力且不减小样品腔体的压力产生装置还未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有装置技术的不足，而提供一种顶锤-预密封边高压装置压，其特点是该装置压力产生效率比现有装置提高30％以上，以碳化钨为顶锤材料叶蜡石为传压介质，基本不改变样品腔体大小的情况下可使六面顶压机的极限压力由6GPa提高至8GPa，在使用金刚石、立方氮化硼、硼六氧多晶烧结体等超硬材料作为顶锤材料时，压力可达到约15GPa。

本发明的目的由以下技术措施实现

顶锤-预密封边高压装置包括六面顶压机同步驱动的六个顶锤，六个四棱台与带有十二条预密封边的传压介质合成块组成的增压单元。增压单元置入由六个顶锤围合而成的高压腔内。

根据合成块面与钉锤面大小不同，预密封边的长度应大于2mm。

为了形成更加均匀的密封边而保护顶锤和四倰台在高压下不被破坏，顶锤的锤面不应超过四棱台的底面，顶锤的锤面与四棱台的底面之间的比例为：1～0.2∶1。

为了使适量的传压介质流出充当密封边，增压单元作用面的边长应比顶锤锤面边长长出3～20mm，四棱台小斜边的角度与顶锤斜边的角度相差(大于或小于)不应超过5°。

为了获得更高的压力，四棱台的材料为碳化钨、三氧化二铝、碳化硅、金刚石、立方氮化硼、硼六氧多晶体或它们的复合材料中的任一种。

本发明所述的顶锤-预密封边高压装置与现有的六面顶压机的增压装置相比，具有如下优点：

1、本发明增压单元中设有的预密封边，使合成块内的压力分布更均匀，有利于合成出性能更优越的目标材料。

2、由于增压单元中设有预密封边，使得样品腔周围的传压介质相对较少的流动而参与密封边的形成，这样就可以在合成块内设计相对较大的样品腔。

3、在不减小样品腔体的前提下，使压力产生效率比现有装置提高约30％，整体性能优于现有同类装置。

4、在不减小样品腔体的前提下，在使用碳化钨作为顶锤材料叶蜡石作为传压介质时，使六面顶压机极限压力从原有装置的6GPa提高至8GPa。

5、从力学角度讲，由于顶锤-预密封边高压装置预密封边的存在，在压力形成过程中，四棱台及六个顶锤之间将形成更大面积的密封边。在高压阶段分布在顶锤斜边附近的平均应力比较小，有利于延长顶锤的使用寿命，从而降低了生产成本，提高了经济效益。

6、本装置中的四棱台可与六面顶压机顶锤分开，四棱台可以灵活采用不同的材质来获得更高的压力，巧妙地规避了金刚石、立方氮化硼、硼六氧等超硬材料多晶体难以制备成大体积六面顶压机顶锤的技术瓶颈，制备出的超硬材质的四棱台与碳化钨顶锤相匹配，在不减小样品腔的前提下获得更高的压力。

附图说明

附图1为顶锤-预密封边高压装置的立体图：

附图2为顶锤-预密封边高压装置平面图：

附图3为增压单元的立体图：

附图4为增压单元的平面图：

附图5为增压单元中四棱台的立体图。

1顶锤，2合成块，3合成块所带的预密封边，4增压单元中的四棱台，5四棱台的小斜边，6四棱台与合成块组成的增压单元。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只对于本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

如图1～5所示，本发明具有结构简单、装配容易的特点，而且可根据需要更换不同材质的四棱台。四棱台底面亦可与顶锤锤面制成一体式。四棱台亦可制成正方体和圆柱体。该装置包括由六面顶压机同步驱动的六个顶锤1，六个四棱台4与带有十二条预密封边3的传压介质合成块2组成的增压单元6。增压单元6放入由六个顶锤1组成的高压腔内。其中顶锤1的材质为碳化钨硬质合金，为了使适量的传压介质充当密封边来保护顶锤1和四棱台4，顶锤锤面最好等于四棱台底面，增压单元作用面边长比顶锤锤面边长最好长出11mm，预密封边的长度最好为6mm，四棱台小斜边5的斜角最好与顶锤2的斜角相同。

本发明是这样实现的

将增压单元6放入由六个顶锤1组成的高压腔内，六面顶压机的液压系统同步驱动六个顶锤至增压单元作用面，顶锤继续推进，增压单元被压缩，合成块2内形成高压。此时，预密封边3被挤压扩展至六个顶锤之间，避免六个顶锤发生碰撞。当液压到达设定值时，六个顶锤停止运动，进行保压。目标材料合成完毕后，操作压机使六个顶锤回至初始位置，取出合成块。

本发明所述的顶锤-预密封边高压装置的加温系统工作原理为六面顶上相对的两个顶锤1与电源的两端相连，顶锤再与增压单元6上与合成块内加热元件连通的两个相对的四棱台4接触，这样电源、顶锤、四棱台与合成块内的加热元件就组成闭合的回路。通过调节发热元件的电功率，对原材料合成温度进行控制。

Claims (4)

1.一种顶锤-预密封边高压装置，特征在于该装置包括六面顶压机同步驱动的六个顶锤(1)，六个四棱台(4)与带有十二条预密封边(3)的传压介质合成块(2)组成的增压单元(6)，增压单元(6)置入由六个顶锤(1)围合而成的高压腔内；

其中，所述顶锤(1)作用于增压单元的锤面大于或等于所述四棱台(4)的底面；所述六个四棱台(4)与传压介质合成块(2)组成增压单元(6)的作用面大于所述顶锤(1)的锤面。

2.根据权利要求1所述顶锤-预密封边高压装置，其特征在于所述传压介质合成块(2)带有十二条预密封边(3)，预密封边(3)的长度应大于2mm。

3.根据权利要求1所述顶锤-预密封边高压装置，其特征在于所述顶锤(1)作用于增压单元的锤面尺寸∶所述四棱台底面尺寸＝1∶1～0.2。

4.根据权利要求1所述顶锤-预密封边高压装置，其特征在于所述四棱台(4)的材料为碳化钨、三氧化二铝、碳化硅、金刚石、立方氮化硼中的任一种。

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