CN102600769A - 一种高淬火速率的材料冲击合成及回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，包括柱面冲击加载单元和样品冷却回收单元；在样品冷却回收单元中，样品盒装入钢底座中，样品盒与钢底座之间采用过渡配合，钢顶盖压在样品盒之上，并通过螺栓与钢底座密封连接在一起；所述柱面冲击加载单元中的样品管下端开口，并通过螺纹与钢顶盖连接；钢顶盖上开设连通样品管和样品盒内腔的通孔，样品管和样品盒内腔的轴心处在一条直线上；采用置于钢顶盖上表面的定位环支撑柱面冲击加载单元中的下底座，并限制下底座在与样品管轴线垂直的平面运动；样品盒中注入冷却介质。利用本发明装置简化了样品的提取过程，更重要的是，避免了机械切割过程，减少了杂质的引入，节约成本。

Description

一种高淬火速率的材料冲击合成及回收装置

技术领域

本发明提出了一种高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，适用于金属粉体，有机粉体，属于工艺技术领域。

背景技术

众所周知，固体的力学、物理和化学性质强烈依赖于他们的晶体结构。许多固体由于其晶格排列方式不同，可能具有不同的结构形式，即同质异构。在冲击波压缩瞬间产生的超高压及超高温条件下，某些固体物质很容易产生同质异构相变，也有利于物质某些高温高压相的出现，从而制备出常规方法难以获得的新物相。冲击波对无机物质的活化作用主要表现为：无机物质在冲击波作用下产生大量残余品格应变，生成大量位错，其表面能量明显增加，从而无机物质的化学活性也明显提高。利用冲击波对MgO、TiO2、ZnFe2O等金属氧化物催化剂的活化与改性进行研究，发现冲击处理后，上述金属氧化物的催化活性都有一定程度的提高，其中对TiO2光催化剂的冲击波改性实验发现，在中等强度(16～27GPa)的冲击波压力作用下，原料锐钛矿型TiO2基本没有发生相变，但其吸收光谱有一定红移，能带宽度有所减小，同时光催化分解Na2S水溶液的放氢速率相应增加。冲击波产生的高温、高压极端条件可以有效改变物质的原子间距和电子的壳层状态，从而改变不同物质间原子的化学作用势和亲合能，在冲击波作用下，不同组分的粉末混合物发生反应并且产生新的化合物。如冲击合成新的稀土碘氧化物，冲击诱导金属Zr与水反应，在一定压力下(60GPa)可直接得到立方ZrO2高压相。由PbO、TiO2和ZrO2混合物焙烧合成钛锆酸铅压电陶瓷材料，由于高毒性PbO的热挥发，很难得到准确化学计量比的产品，而冲击诱导反应集产品合成、压实和成型于一体，是一种无害而高效的制备工艺。

在上述冲击波合成过程中，通常需要使用柱面冲击加载装置。目前，柱面冲击装置大都是由雷管、传爆药柱、主装药、堵头、端塞、样品、样品管、下底座和飞管组成。传爆药柱置于主装药上，传爆药柱上插有雷管，样品置于样品管中，样品管两端均设有堵头，将样品管一端置于主装药中心部，且通过端塞与主装药隔离，端塞的作用是控制波形，样品管另一端固定在下底座上，样品管外围还设有飞管。使用时，首先采用机压的方法将样品装入样品管中，然后引爆炸药，最后回收样品。

现有装置的缺点是：

(1)冲击高压经过后，在轴心处容易产生马赫波，形成马赫孔，使得轴心处温度和压力比周围要高出很多，这样会将大部分样品射向底部堵头，从堵头引入杂质。而且，轴向压力过高时还会穿透堵头，大部分样品不能回收。

(2)当轴向加载速度过高时还会造成径向反弹，拉碎样品管，无法回收样品。

(3)柱面冲击加载装置所产生的柱面收敛爆轰波沿样品管的半径方向向中心汇聚并在样品的中心轴线附近发生碰撞使样品中心轴线附近的冲击波压力大幅提高，但从中心沿半径方向向外冲击压力逐渐降低，有些高压相、亚稳相仅仅在轴心处生成，产率不高。例如：利用柱面冲击加载装置，以石墨相Si3N4为原料合成立方相Si3N4，发现只有在轴心处的样品，发生了相变形成立方相Si3N4，而其它部位没有发生相变。在爆炸冲击过后，样品管中的样品只能慢慢冷却到室温，淬火速率过慢，造成某些中间相、亚稳相在淬火过程中发生可逆的相变，不能将所需要的亚稳相截留。

这些缺点限制了柱面加载装置的使用范围，所以研究人员采取了很多措施改进这种柱面加载装置，通常的方法就是加大炸药药量，减少样品管的厚度和样品管的装药直径，提高冲击压力。其缺点是：一方面造成回收难度加大，样品回收量少，另一方面实验成本增加。没有考虑样品回收后的淬火问题，都是让样品自然冷却到室温，不利于某些亚稳相和中间相材料的生成。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，其结构简单，便于样品回收，能够实现狭小空间内材料爆炸冲击处理和快速淬火过程在同一个实验装置中完成，工艺过程简单，速度快、效率高、成本低，安全性高。

该方案的实现方法为：

一种高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，其包括柱面冲击加载单元和样品冷却回收单元；

所述样品冷却回收单元包括钢底座、钢顶盖、样品盒、定位环和螺栓；样品盒装入钢底座中，样品盒与钢底座之间采用过渡配合，钢顶盖压在样品盒的开口上，并通过螺栓与钢底座密封连接在一起；所述柱面冲击加载单元中的样品管下端开口，贯穿柱面冲击加载单元的下底座后通过螺纹与钢顶盖连接；钢顶盖上开设连通样品管和样品盒内腔的通孔，样品管和样品盒内腔的轴心处在一条直线上；采用置于钢顶盖上表面的定位环支撑柱面冲击加载单元中的下底座，并限制下底座在与样品管轴线垂直的平面运动；样品盒中注入冷却介质。

优选地，样品管由壁厚5-10mm的不锈钢管材加工而成，长度80-100mm。

优选地，当柱面冲击加载单元采用双管结构时，设置在样品管外围的飞管采用壁厚为2mm的不锈钢管材制成。

优选地，样品盒由不锈钢管材加工而成，有60ml的空腔。

优选地，进一步在样品盒中加入惰性内衬。

优选地，主装药底面与钢顶盖上表面的间距为20-30mm。

本发明的效果是，由于在柱面冲击加载装置中，加入了装有冷却介质的样品盒，使该装置在使用中产生了明显的效果。

(1)在冲击加载时，本发明利用爆炸产生柱面收敛爆轰波沿样品管的半径方向向中心汇聚并在样品的中心轴线附近发生碰撞产生马赫波，利用马赫波的增压作用，产生超高的冲击压力，从而提高样品中的冲击压力。而且本装置在样品下端没有设置堵头，而是直连样品盒，因此不会从堵头引入杂质。

样品管下端开口，下部放置样品盒，利用马赫波将经过冲击波处理的样品冲入下部装有冷却介质的样品盒里进行淬火，能够利用高淬火速率制备亚稳相和中间相材料。利用样品盒实现了主动方式卸压，使冲击样品能够可靠回收。

(2)样品管和上顶盖通过螺纹连接，提高了样品管的径向抗拉强度，抵抗冲击波的径向拉伸波，防止样品管破裂。

(3)样品盒中的冷却介质，很好地提高了样品的淬火速率，利于某些中间相、亚稳相的生成。样品盒可以装入不同的冷却介质(水，干冰、液氮等)，实现淬火速率的可控可调。

(4)实现狭小空间内材料爆炸冲击处理和快速淬火过程在同一个实验装置中完成，不锈钢样品盒和钢底座可以重复利用，工艺过程简单，速度快、效率高、成本低，安全性高。

(5)不锈钢样品盒中加入了聚四氟乙烯(化学性质稳定)内衬，可以防止样品和不锈钢发生反应，减少金属杂质的影响，降低提纯成本。

附图说明

附图1为一种高淬火速率的材料冲击合成及回收装置示意图；

附图2为不带飞管的高淬火速率的材料冲击合成及回收装置示意图；

附图3为TiO2高压相冲击波合成实验产物的XRD图谱；

附图4为富勒烯冲击相变实验产物的XRD图谱。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，其基本思想是，在原有的柱面冲击加载装置上，样品管下端开口，在装置下部放置冷却介质(液氮、水、干冰等)的样品盒，将经过冲击波处理的样品冲入下部装有冷却介质的样品盒里进行冷却，提高淬火速率，保证样品的可靠回收，将冲击处理和快速冷却过程在同一个实验装置中完成，工艺过程简单，能够保证后续过程安全可靠实施，适用亚稳相和中间相材料的制备。

图1为本发明一种实施方式中高淬火速率的材料冲击合成及回收装置的示意图。如图1所示，该装置包括柱面冲击加载单元和样品冷却回收单元。

柱面冲击加载单元与现有技术的组成和结构相似。其包括雷管1、传爆药柱2、主装药3、塑料材质的端塞4、不锈钢的堵头5、不锈钢的样品管6、钢制的飞管7和下底座16。主装药3置于下底座16上，传爆药柱2置于主装药3顶部，传爆药柱2上插有雷管1，样品8置于样品管6中，样品管6顶端均设有堵头5，并置于主装药3中心部，且通过端塞4与主装药3隔离；样品管6外围还设有飞管7。与现有柱面冲击加载单元不同的是，样品管6下端开口，且贯穿下底座16接入样品冷却回收单元。

冷却回收单元包括钢底座12、钢顶盖10、样品盒11、定位环15和螺栓8；样品盒11装入钢底座12中，样品盒11与钢底座12之间采用过渡配合，钢顶盖10压在样品盒11的开口上，并通过螺栓9与钢底座12密封连接在一起，爆炸冲击过后，拧开螺栓，样品盒和钢底座可重复使用。样品管6下端开口，贯穿下底座16后通过螺纹与钢顶盖10连接，钢顶盖10上开设连通样品管6和样品盒11内腔的通孔，样品管6和样品盒11内腔的轴心处在一条直线上；采用置于钢顶盖10上表面的定位环15支撑柱面冲击加载单元中的下底座16，并限制下底座16在与样品管6轴线垂直的平面运动。具体限制方法可以在钢顶盖10上表面开设用于放置定位环15的环形凹槽，在下底座16下表面开设用于限位的圆形凹槽，定位环15两端限位在这两个凹槽中，从而实现了横向限位。为了减轻重量，定位环以铝或塑料制成。样品盒11中注入诸如液氮、水、冰水或干冰的冷却介质，改变冷却介质可以实现淬火速率的可控可调。

保证样品管不断裂的前提下，尽可能减少壁厚，提高样品管中的冲击压力，那么较佳尺寸可以选定为：样品管6可以由壁厚5-10mm(临界管径)的不锈钢管材加工而成，长度80-100mm。飞管则可以采用壁厚为2mm的不锈钢管材制成。当然，也可以如图2所示，省略飞管，只是双管压力高，对样品作用效果更好。

样品盒11可以由不锈钢管材加工而成，至少有60ml的容腔，用来盛放水、液氮、干冰、冰水等冷却介质，改容积小巧，且足够容纳回收的样品，且设置其中的冷却介质能够充分冷却回收样品。还可以在样品盒11中加入聚四氟乙烯等惰性内衬，防止样品与不锈钢样品盒发生反应，避免引入杂质。

在保证样品回收的前提下，缩短样品从样品管到样品盒的飞行时间，可提高样品的淬火速率，因此主装药3底面与钢顶盖10上表面的适宜间距为20-30mm。

装配时，将所需的样品称量好，然后将堵头5装入样品管中，倒置装粉，在压机上用适当的压力将所需处理的样品压到一定的密实度，样品管下端开口，不用钢堵头封死。将样品管6置入带有飞管的主装药4中心部，样品管下端和钢顶盖10通过螺纹连接，往样品盒中注入冷却介质，将样品盒放入钢底座中，钢顶盖和钢底座通过螺栓连接密封在一起，通过铝制定位环15和螺栓9固定好样品管和样品盒，保证两者的轴心处在一条直线上。装入主装药，起爆雷管进行爆炸冲击处理，回收样品，进行下一步的处理。

下面采用两个实验说明本装置的效果。

实验一：Srilankite型高压相Ti02的冲击合成

实验采用纯锐钛矿相MC-150TiO2为前体，试验样品经充分研磨制成。采用手动液压式压力实验机将初始粉末实验样品压入不锈钢样品管内，制成密实的样品初坯，压制压力控制在10MPa左右。爆炸后，样品管完整回收，和钢顶盖连在一起。回收三部分样品，一部分为不锈钢样品管内的样品，一部分为冲入样品盒(装液氮)的样品，还有一部分为残留在样品盒顶盖和上顶盖底部峰样品。

附图3为回收样品的XRD图谱，与原始的纯锐钛矿相MC-150TiO2标准XRD谱线(a)相比，不锈钢样品管内残余回收样品(b)没有发生任何相变，仍为纯锐钛矿相，残留在样品管中的样品都是紧靠钢管内壁，冲击压力过低，没有达到相变压力；或是淬火速率过低；残留在样品盒顶盖和上顶盖底部峰样品(c)，发生了锐钛矿向金红石的转变并生成了srilankite高压相，但是还有部分的锐钛矿和金红石相TiO2，马赫波产生超高的冲击压力和温度，样品从样品管中喷发出来，可以瞬间带走大部分热量，遇到空气可以发生较高的淬火速率，部分的srilankite高压相得以保存下来；样品盒的样品(d)，经冲击波处理后几乎全部相变为srilankite高压相，初步分析样品盒内的液氮提高样品的淬火速率，避免在样品盒内srilankite高压相在高温下发生可逆相变。由此可知，制备纯相srilankite高压相除了需要高压作用外，还需要有效降低冲击过程中所产生的温升以避免在高温诱导作用下发生锐钛矿向金红石的转变。srilankite高压相通过较高的淬火速率可以保存在常态。

实验二：富勒烯的冲击相变

实验采用富勒烯(C60)为前体，试验样品经充分研磨制成。采用手动液压式压力实验机将初始粉末实验样品压入不锈钢样品管内，制成密实的样品初坯，压制压力控制在10MPa左右。爆炸后，回收两部分样品，一部分为不锈钢样品管内的样品，一部分为冲入样品盒(装水)的样品。

附图4为回收样品的XRD图谱，与原始的富勒烯标准XRD谱线(a)相比，不锈钢样品管内的样品(b)没有发生任何相变，仍为富勒烯，分析认为是靠近内壁处压力没有达到富勒烯相变所需的压力，还有可能淬火速率过低，在高温诱导作用下，某些相变生成的亚稳碳相向富勒烯发生可逆的转变；残留在样品盒中的样品(c)，样品盒中以水为冷却介质，马赫波产生超高的冲击压力和温度，发生了富勒烯向石墨的转变，但是还有部分的富勒烯未发生相变。

综上所述，本发明的装置具有冲击波合成及回收过程中高压，高淬火速率，样品回收可靠，可实现狭小空间内粉体爆炸冲击处理和快速淬火过程在同一个装置中完成，工艺过程简单，能够保证后续过程安全可靠实施，适用亚稳相和中间相材料的制备。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，其包括柱面冲击加载单元；其特征在于，还包括样品冷却回收单元；

所述样品冷却回收单元包括钢底座(12)、钢顶盖(10)、样品盒(11)、定位环(15)和螺栓(9)；样品盒(11)装入钢底座(12)中，样品盒(11)与钢底座(12)之间采用过渡配合，钢顶盖(10)压在样品盒(11)的开口上，并通过螺栓(9)与钢底座(12)密封连接在一起；所述柱面冲击加载单元中的样品管(6)下端开口，贯穿柱面冲击加载单元的下底座(16)后通过螺纹与钢顶盖(10)连接；钢顶盖(10)上开设连通样品管(6)和样品盒(11)内腔的通孔，样品管(6)和样品盒(11)内腔的轴心处在一条直线上；采用置于钢顶盖(10)上表面的定位环(15)支撑所述下底座(16)，并限制下底座(16)在与样品管(6)轴线垂直的平面运动；样品盒(11)中注入冷却介质。

2.如权利要求1所述的高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，其特征在于：样品管(6)由壁厚5-10mm的不锈钢管材加工而成，长度80-100mm。

3.如权利要求2所述的高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，其特征在于：当柱面冲击加载单元采用双管结构时，设置在样品管(6)外围的飞管采用壁厚为2mm的不锈钢管材制成。

4.如权利要求1所述的高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，其特征在于：样品盒(11)由不锈钢管材加工而成，有60ml的空腔。

5.如权利要求1所述的高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，其特征在于：进一步在样品盒(11)中加入惰性内衬。

6.如权利要求1所述的高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，其特征在于：主装药(3)底面与钢顶盖(10)上表面的间距为20-30mm。

7.如权利要求1所述的高淬火速率的材料冲击合成及回收装置，其特征在于：所述冷却介质为液氮、水、冰水或干冰。

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