CN102553494B

CN102553494B - 六面顶多级增压装置

Info

Publication number: CN102553494B
Application number: CN 201210006204
Authority: CN
Inventors: 韩奇钢; 贾晓鹏; 李明哲; 薛鹏飞; 马红安
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: CN102553494A

Abstract

本发明公开了一种六面顶多级增压装置，属于高压物理学领域。该装置主要由六面顶液压机驱动的顶锤、增压单元和传压介质块组成，其中顶锤个数为6个，两两对称，且同轴布置，三条轴线相互垂直且交于一点，顶锤由锤头、预紧环及垫块组成，锤头与预紧环配合组装，传压介质块位于相互垂直的三条轴线交点处，其外部添加或内部嵌入增压单元并设有高压腔体，增压单元个数为2个以上，传压介质块个数为1个以上，增压单元、传压介质块分级装配。该装置能够增加高压腔体压力值至几十万个大气压，解决六面顶装置高压腔体可获得的极限压力值过低的问题，一定程度上促进六面顶高压装置与金刚石对顶砧式高压装置的优势互补，满足高压物理学等基础科学的发展。

Description

六面顶多级增压装置

技术领域

本发明公开了一种六面顶多级增压装置，涉及金刚石和立方氮化硼等超硬材料及其制品高压制备装置，属于高压物理学领域。

背景技术

高压装置作为研究“高压”对物质的晶体结构、相变、状态方程及物理性质等影响的必备工具，其研究是探索金刚石、立方氮化硼及其制品等新型超硬材料和“常压”下无法制备的新材料的基础，其广泛被应用于高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学研究领域。

六面顶高压装置是我国自行开发独立设计的高压装备，全球装机数量约为6000台左右。六面顶高压装置优点是吨位较低、投入较少、技术相对容易，操作比较简单，压力传递快且效率高；缺点是六面顶高压装置的高压腔体可获得的极限压力值较低，仅能达到5-6万个大气压。为提高六面顶高压装置的高压腔体可获得的极限压力值，推进六面顶高压技术发展，针对六面顶高压制备装置存在的高压腔体可获得的极限压力值过低的问题，四川大学开展了一种新型大腔体高压装置(CN 102188935A)及用于产生超高压的新型装置(CN 101091895A)的研究工作，将六面顶高压腔体可获得的极限压力值提高至8万个大气压左右，促进了六面顶高压技术发展。

为进一步提高六面顶高压腔体可获得的极限压力值至几十万个大气压，实现六面顶高压装置与金刚石对顶砧式高压装置的优势互补，满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学对大腔体高温高压下物质体系研究需求，发明人设计了六面顶多级增压装置，此方面工作未见报道。

发明内容

本发明的目的在于解决六面顶高压装置的高压腔体可获得的极限压力值较低，不能满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学对大腔体高温高压下物质体系研究需求问题。本发明的六面顶多级增压装置能够提高六面顶高压腔体可获得的极限压力值至几十万个大气压，可以实现六面顶高压装置与金刚石对顶砧式高压装置的优势互补，促进高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学的发展。

本发明的上述目的提供以下技术方案实现，结合附图说明如下：

本发明提供了一种六面顶多级增压装置，主要由六面顶液压机驱动的顶锤1、增压单元和传压介质块20组成，所述的顶锤1个数为6个，两两对称，且同轴布置，三条轴线相互垂直且交于一点，顶锤1由锤头4、预紧环及垫块组成，锤头4与预紧环配合组装，锤头4顶部为棱台结构，底部为带倒角的圆柱体，顶部和底部之间由对称的扇形大斜面过渡，所述传压介质块20位于相互垂直的三条轴线交点处，其外部添加或内部嵌入增压单元并设有高压腔体16，所述增压单元个数为2个以上，所述传压介质块20个数为1个以上，所述增压单元、传压介质块20分级装配。

所述锤头与预紧环滑配合或过盈配合组装，所述预紧环和垫块为一级或多级结构；锤头材质为钢材质或硬质合金。

所述增压单元为圆台式结构、棱台式结构或七面体式结构，其材质为钢材质、硬质合金、金刚石烧结体、立方氮化硼烧结体或天然金刚石等高硬度材料。

所述高压腔体16内装有加热管24，加热管24内腔由绝缘堵头23和套装的绝缘管25封闭构成样品腔26，加热管24上下端装有热导片22和导电帽21，所述传压介质块20材质为叶腊石或氧化镁(MgO)混合氧化锆(CoO₂)复合材料。

所述增压单元为2个棱台式或圆台式增压单元，并嵌入1个一级两孔式六面体传压介质块3内部，位于高压腔体两侧并与六面顶加热的顶锤1的锤头接触，构成6-2式一级六面顶增压装置。

所述增压单元个数为8个，由6个一级棱台式增压单元2和2个二级棱台式或圆台式增压单元11组成，并分别嵌入一级六孔式传压介质块9和二级两孔式六面体传压介质块10内部，所述二级两孔式六面体传压介质块10置于一级六孔式传压介质块9内部，构成6-6-2式二级六面顶增压装置。

所述增压单元个数为10个，由8个一级七面体式增压单元12和2个二级棱台式或圆台式增压单元11组成，2个二级棱台式或圆台式增压单元11嵌入二级二孔式八面体传压介质块13内部，8个一级七面体式增压单元12挤压二级二孔式八面体传压介质块13，从而驱动2个二级棱台式或圆台式增压单元11挤压高压腔体16，构成6-8-2式二级六面顶增压装置。

所述的增压单元个数为12个，由6个一级棱台式增压单元2和6个二级棱台式增压单元15组成，并分别嵌入一级、二级六孔式传压介质块9、14内部，所述二级六孔式传压介质块14置于一级六孔式传压介质块9内部，构成6-6-6式二级六面顶增压装置。

所述的增压单元个数为14个，由6个一级棱台式增压单元2和8个二级七面体式增压单元17组成，6个一级棱台式增压单元2和8个二级七面体式增压单元17嵌入到一级六孔式传压介质块9内部，8个二级七面体式增压单元17挤压二级八面体传压介质块18内的高压腔体16，构成6-6-8式二级六面顶增压装置。

所述的增压单元个数为14个，由8个一级七面体式增压单元12和6个二级棱台式增压单元15组成，6个二级棱台式增压单元15嵌入一级八面体式传压介质块19内部，8个一级七面体式增压单元12挤压一级八面体式传压介质块19，从而驱动6个二级棱台式增压单元15挤压六面体高压腔体16，构成6-8-6式二级六面顶增压装置。

技术效果：

本发明的六面顶多级增压装置，通过增压单元的添加，能够将六面顶高压腔体可获得的极限压力值增加至几十万个大气压，实现六面顶高压装置与金刚石对顶砧式高压装置的优势互补，满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学对大腔体高温高压下物质体系研究需求，促进高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学的发展。本发明的六面顶多级增压装置投入较少，操作比较简单，压力传递快且效率高；可以替代国际一流水平的静高压实验室基于两面顶压机构建的多面体静高压装置，解决其价格昂贵、压强转化效率低、液压机能量消耗高以及维修工作量大等问题。

附图说明

图1是6-2式一级六面顶增压装置示意图。

图2是复合式顶锤结构示意图，其中，图2(a)是复合式顶锤结构三维视图，图2(b)是复合式顶锤结构剖视图。

图3是增压单元结构示意图，其中，图3(a)是圆台式增压单元结构三维视图，图3(b)是不带小斜边的棱台式增压单元结构三维视图，3(c)是带小斜边的棱台式增压单元结构三维视图，3(d)是七面体式增压单元结构三维视图。

图4是6-6-2式二级六面顶增压装置示意图，其中，图4(a)是整体结构三维视图，图4(b)是增压单元局部放大结构三维视图。

图5是6-8-2式二级六面顶增压装置示意图，其中，图5(a)是整体结构三维视图，图5(b)是增压单元局部放大结构三维视图。

图6是6-6-6式二级六面顶增压装置示意图，其中，图6(a)是整体结构三维视图，图6(b)是二级增压单元局部放大结构三维视图。

图7是6-6-8式二级六面顶增压装置示意图，其中，图7(a)是整体结构三维视图，图7(b)是二级增压单元局部放大结构三维视图。

图8是6-8-6式二级六面顶增压装置示意图，其中，图8(a)是整体结构三维视图，图8(b)是二级增压单元局部放大结构三维视图。

图9是传压介质内部高压腔体组装剖视图。

图中：1.顶锤；2.一级棱台式增压单元；3.一级二孔式六面体传压介质块；4.锤头；5.二级钢环；6.一级钢环；7.二级垫块；8.一级垫块；9.一级六孔式传压介质块；10.二级二孔式六面体传压介质块；11.二级棱台式或圆台式增压单元；12.一级七面体式增压单元；13.二级两孔式八面体式传压介质块；14.二级六孔式传压介质块；15.二级棱台式增压单元；16.高压腔体；17.二级七面体式增压单元；18.二级八面体传压介质块；19.一级八面体式传压介质块；20.传压介质块；21.导电帽；22.热导片；23.绝缘堵头；24.加热管；25.绝缘管；26.样品腔。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例进一步说明本发明的具体内容和工作过程。

为了解决六面顶高压装置的高压腔体可获得的极限压力值较低，不能满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学对大腔体高温高压下物质体系研究需求问题。提高六面顶高压腔体可获得的极限压力值至几十万个大气压，实现六面顶高压装置与金刚石对顶砧式高压装置的优势互补，促进高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学的发展。本发明是通过以下技术方案实现的：本发明提供了一种六面顶多级增压装置，主要由六面顶液压机驱动的顶锤1、增压单元和传压介质块20组成，所述的顶锤1个数为6个，两两对称，且同轴布置，三条轴线相互垂直且交于一点，顶锤1由锤头4、预紧环及垫块组成，锤头4与预紧环配合组装，锤头4顶部为棱台结构，底部为带倒角的圆柱体，顶部和底部之间由对称的扇形大斜面过渡，所述传压介质块20位于相互垂直的三条轴线交点处，其外部添加或内部嵌入增压单元并设有高压腔体16，所述增压单元个数为2个以上，所述传压介质块20个数为1个以上，所述增压单元、传压介质块20分级装配。所述锤头与预紧环滑配合或过盈配合组装，所述预紧环和垫块为一级或多级结构；锤头材质为钢材质或硬质合金。由高压顶锤1设计原理——侧向支撑原理知，通过预紧环和垫块部分地替代顶锤1，能够降低顶锤1重量和成本；通过预紧钢环与顶锤1的过盈配合，能够实现锤头材质的自增强，增加锤头承受的压力和使用寿命。所述增压单元为圆台式结构、棱台式结构或七面体式结构，其材质为钢材质、硬质合金、金刚石烧结体、立方氮化硼烧结体或天然金刚石等高硬度材料。由高压顶锤1设计原理——大质量支撑原理(面积比增压原理)知，当增压单元底部带倒角的圆柱体底面积远大于顶部圆台或棱台面积，并以顶部圆台或棱台为对应面进行对置，其底部带倒角的圆柱体底面积同时受到轴向推进力时，顶部圆台或棱台面将挤压传压介质，并在高压腔体16内产生超高压力。所述高压腔体16内装有加热管24，加热管24内腔由绝缘堵头23和套装的绝缘管25封闭构成样品腔26，加热管24上下端装有热导片22和导电帽21，所述传压介质块20材质为叶腊石或氧化镁(MgO)混合氧化锆(CoO₂)复合材料。所述增压单元为2个棱台式或圆台式增压单元，并嵌入1个一级两孔式六面体传压介质块3内部，位于高压腔体两侧并与六面顶加热的顶锤1的锤头接触，构成6-2式一级六面顶增压装置。当然，所述增压单元个数可以为8个，由6个一级棱台式增压单元2和2个二级棱台式或圆台式增压单元11组成，并分别嵌入一级六孔式传压介质块9和二级两孔式六面体传压介质块10内部，所述二级两孔式六面体传压介质块10置于一级六孔式传压介质块9内部，构成6-6-2式二级六面顶增压装置。或者所述增压单元个数为10个，由8个一级七面体式增压单元12和2个二级棱台式或圆台式增压单元11组成，2个二级棱台式或圆台式增压单元11嵌入二级二孔式八面体传压介质块13内部，8个一级七面体式增压单元12挤压二级二孔式八面体传压介质块13，从而驱动2个二级棱台式或圆台式增压单元11挤压高压腔体16，构成6-8-2式二级六面顶增压装置。或者所述的增压单元个数为12个，由6个一级棱台式增压单元2和6个二级棱台式增压单元15组成，并分别嵌入一级、二级六孔式传压介质块9、14内部，所述二级六孔式传压介质块14置于一级六孔式传压介质块9内部，构成6-6-6式二级六面顶增压装置。或者所述的增压单元个数为14个，由6个一级棱台式增压单元2和8个二级七面体式增压单元17组成，6个一级棱台式增压单元2和8个二级七面体式增压单元17嵌入到一级六孔式传压介质块9内部，8个二级七面体式增压单元17挤压二级八面体传压介质块18内的高压腔体16，构成6-6-8式二级六面顶增压装置。或者所述的增压单元个数仍为14个，由8个一级七面体式增压单元12和6个二级棱台式增压单元15组成，6个二级棱台式增压单元15嵌入一级八面体式传压介质块19内部，8个一级七面体式增压单元12挤压一级八面体式传压介质块19，从而驱动6个二级棱台式增压单元15挤压六面体高压腔体16，构成6-8-6式二级六面顶增压装置。当然，六面顶多级增压装置的增压单元个数不局限以上数量，可以为多个。六面顶多级增压装置的级数不限制在二级，为了研究需要，可以为三级、四级或者多级；随着增压单元级数的增加，高压腔体16组装将越复杂，其稳定性也会变差。但增压单元的级数越高，高压腔体16可获得的极限压力值越高。增压单元材质硬度越高，高压腔体16可获得的极限压力值越高。

图1是6-2式一级六面顶多级增压装置三维视图，其主要由六面顶液压机驱动的6个顶锤1、2个棱台式增压单元2和1个一级两孔式六面体传压介质块3组成；一级两孔式六面体传压介质块3内部嵌入2个棱台式增压单元2，2个棱台式增压单元2位于高压腔体两侧并与六面顶加热的顶锤1的锤头接触，并挤压高压腔体；当然，棱台式增压单元2可以由圆台式增压单元所替代。所述的顶锤1为一体式结构；当然，为了降低顶锤1重量，节省成本，顶锤1可以为复合式结构。6-2式一级六面顶多级增压装置能够产生10万个大气压腔体压力，其投入较少，操作比较简单，压力传递快且效率高，适合应用在金刚石、立方氮化硼及其制品的高压合成领域。

图2是复合式顶锤结构示意图，其中，图2(a)是复合式顶锤结构三维视图，图2(b)是复合式顶锤结构剖视图。复合式顶锤主要由锤头4、二级钢环5、一级钢化6、二级垫块7以及一级垫块8组成；复合式顶锤各部件不限制为二级，可以为多级结构(大于二级)；锤头顶部为棱台结构，底部为带倒角的圆柱体，顶部和底部之间由对称的扇形大斜面过渡，其材质为钢材质或硬质合金；锤头4与预紧钢环滑配合或过盈配合组装，通过预紧钢环与锤头4的过盈配合，能够实现锤头材质的自增强，增加锤头4承受的压力和使用寿命；通过预紧钢环和垫块部分地替代顶锤1，能够降低顶锤1重量和成本。

图3是增压单元结构示意图，其中，图3(a)是圆台式增压单元结构三维视图，图3(b)是不带小斜边的棱台式增压单元结构三维视图，图3(c)是带小斜边的棱台式增压单元结构三维视图，图3(d)是七面体式增压单元结构三维视图。圆台式和棱台式增压单元可以由2个配合使用，挤压圆柱体腔体，也可以6个配合使用，挤压六面体腔体，七面体式增压单元必须由8个配合使用，挤压八面体腔体。增压单元材质为钢材质、硬质合金、金刚石烧结体、立方氮化硼烧结体或天然金刚石等高硬度材料。

图4是6-6-2式二级六面顶增压装置示意图，其中，图4(a)是整体结构三维视图，图4(b)是增压单元局部放大结构三维视图。6-6-2式二级六面顶增压装置的增压单元个数为8个，由6个一级棱台式增压单元2和2个二级棱台式或圆台式增压单元11组成；6个一级棱台式增压单元2嵌入到一级六孔式传压介质块9内部，2个二级棱台式或圆台式增压单元11嵌入到二级两孔式六面体传压介质块10内部，从而挤压腔体，能够产生几十万个大气压腔体压力；腔体压力值受增压单元结构和材质影响，材质硬度越高，能够产生地腔体压力值越高。

图5是6-8-2式二级六面顶增压装置示意图，其中，图5(a)是整体结构三维视图，图5(b)是增压单元局部放大结构三维视图。6-8-2式二级六面顶增压装置的增压单元个数为10个，由8个一级七面体增压单元12和2个二级棱台式或圆台式增压单元11组成；8个一级七面体增压单元12挤压二级两孔式八面体传压介质块13，2个二级棱台式或圆台式增压单元11嵌入到二级两孔式八面体传压介质块13内部，从而挤压腔体并产生几十万个大气压腔体压力。

图6是6-6-6式二级六面顶增压装置示意图，其中，图6(a)是整体结构三维视图，图6(b)是二级增压单元局部放大结构三维视图。6-6-6式二级六面顶增压装置增压单元个数为12个，由6个一级棱台式增压单元2和6个二级棱台式增压单元15组成，分别嵌入到一级和二级六孔式六面体传压介质块9，14内部，从而挤压六面体高压腔体16，在六面体腔体内部产生几十万个大气压腔体压力。

图7是6-6-8式二级六面顶增压装置示意图，其中，图7(a)是整体结构三维视图，图7(b)是二级增压单元局部放大结构三维视图。6-6-8式二级六面顶增压装置增压单元个数为14个，由6个一级棱台式增压单元2和8个二级七面体式增压单元17组成，6个一级棱台式增压单元2嵌入到一级六孔式传压介质块9内部，8个二级七面体式增压单元17挤压二级八面体传压介质块18，从而产生几十万个大气压腔体压力。

图8是6-8-6式二级六面顶增压装置示意图，其中，图8(a)是整体结构三维视图，图8(b)是二级增压单元局部放大结构三维视图。6-8-6式二级六面顶增压装置的增压单元个数为14个，由8个一级七面体式增压单元12和6个二级棱台式增压单元15组成；8个一级七面体式增压单元12挤压一级八面体式传压介质块19，从而驱动6个二级棱台式增压单元15挤压六面体高压腔体16，使其内部产生几十万个大气压腔体压力。

图9是传压介质块内部高压腔体组装剖面图。传压介质块内部高压腔体16主要由导电帽21、热导片22、绝缘堵头23、加热管24、绝缘管25以及样品腔26组成。所述传压介质块20内部为高压腔体16，高压腔体16内装有加热管24，加热管24内腔由绝缘堵头23和套装的绝缘管25封闭构成样品腔26，加热管24上下端装有热导片22和导电帽21。导电帽21可以为简单的钢或铜材质等导电材料，热导片22为铜金属或其它具有导电性的高热导率材料，绝缘堵头23和绝缘管25可以由氯化钠或者氧化镁(MgO)混合氧化锆(CoO₂)等材料组成，加热管24材料可以为石墨，传压介质块20的材质为叶腊石或氧化镁(MgO)混合氧化锆(CoO₂)等复合材料。

Claims

1.一种六面顶多级增压装置，主要由六面顶液压机驱动的顶锤（1）、增压单元和传压介质块（20）组成，所述的顶锤（1）个数为6个，两两对称，且同轴布置，三条轴线相互垂直且交于一点，顶锤（1）由锤头（4）、预紧环及垫块组成，锤头（4）与预紧环配合组装，锤头（4）顶部为棱台结构，底部为带倒角的圆柱体，顶部和底部之间由对称的扇形大斜面过渡，其特征在于，所述传压介质块（20）位于相互垂直的三条轴线交点处，其内部嵌入增压单元并设有高压腔体（16），所述增压单元个数为2个以上，所述传压介质块（20）个数为1个以上，所述增压单元、传压介质块（20）分级装配。

2.根据权利要求1所述的六面顶多级增压装置，其特征在于，所述增压单元为2个棱台式或圆台式增压单元，并嵌入1个一级两孔式六面体传压介质块（3）内部，位于高压腔体两侧并与六面顶加热的顶锤（1）的锤头接触，构成6-2式一级六面顶增压装置。

3.根据权利要求1所述的六面顶多级增压装置，其特征在于，所述增压单元个数为8个，由6个一级棱台式增压单元（2）和2个二级棱台式或圆台式增压单元（11）组成，并分别嵌入一级六孔式传压介质块（9）和二级两孔式六面体传压介质块（10）内部，所述二级两孔式六面体传压介质块（10）置于一级六孔式传压介质块（9）内部，构成6-6-2式二级六面顶增压装置。

4.根据权利要求1所述的六面顶多级增压装置，其特征在于，所述增压单元个数为10个，由8个一级七面体式增压单元（12）和2个二级棱台式或圆台式增压单元（11）组成，2个二级棱台式或圆台式增压单元(11)嵌入二级二孔式八面体传压介质块（13）内部，8个一级七面体式增压单元（12）挤压二级二孔式八面体传压介质块（13），从而驱动2个二级棱台式或圆台式增压单元（11）挤压高压腔体（16），构成6-8-2式二级六面顶增压装置。

5.根据权利要求1所述的六面顶多级增压装置，其特征在于，所述的增压单元个数为12个，由6个一级棱台式增压单元（2）和6个二级棱台式增压单元（15）组成，并分别嵌入一级、二级六孔式传压介质块（9、14）内部，所述二级六孔式传压介质块（14）置于一级六孔式传压介质块（9）内部，构成6-6-6式二级六面顶增压装置。

6.根据权利要求1所述的六面顶多级增压装置，其特征在于，所述的增压单元个数为14个，由6个一级棱台式增压单元（2）和8个二级七面体式增压单元（17）组成，6个一级棱台式增压单元（2）和8个二级七面体式增压单元（17）嵌入到一级六孔式传压介质块（9）内部，8个二级七面体式增压单元（17）挤压二级八面体传压介质块（18）内的高压腔体（16），构成6-6-8式二级六面顶增压装置。

7.根据权利要求1所述的六面顶多级增压装置，其特征在于，所述的增压单元个数为14个，由8个一级七面体式增压单元（12）和6个二级棱台式增压单元（15）组成，6个二级棱台式增压单元（15）嵌入一级八面体式传压介质块（19）内部，8个一级七面体式增压单元（12）挤压一级八面体式传压介质块（19），从而驱动6个二级棱台式增压单元（15）挤压六面体高压腔体（16），构成6-8-6式二级六面顶增压装置。

8.根据权利要求1所述的六面顶多级增压装置，其特征在于，所述增压单元为圆台式结构、棱台式结构或七面体式结构，其材质为钢材质、硬质合金、金刚石烧结体、立方氮化硼烧结体或天然金刚石高硬度材料。