CN105092470A - 一种多功能机械高压原位拉曼测试池及其应用 - Google Patents

Abstract

一种多功能机械高压原位拉曼测试池，包括外高压筒，在所述外高压筒内、且沿径向由内而外嵌套有压杆部和导向筒部；在所述导向筒部的前端设置有窗口片；所述导向筒部的末端延伸设置在所述外高压筒的外部、且与所述外高压筒的末端通过紧固件固定连接；所述压杆部的前端抵压样品至所述窗口片；所述压杆部的末端延伸设置在所述导向筒部的末端的外部；所述导向筒部的末端与所述压杆部的末端通过螺纹方式连接。当进行原位拉曼光谱测试时，本发明可变参数有温度、压力和激光辐照，工作压力可以从常压到上万大气压。在这种工作模式下，上述几个参数可以同时变化，也可以各自独立地变化，且在变化过程中可以连续地原位采集材料的拉曼光谱。

Description

一种多功能机械高压原位拉曼测试池及其应用

技术领域：

本发明涉及一种多功能机械高压原位拉曼测试池及其应用，属于材料光谱原位测试的技术领域。

背景技术：

拉曼光谱作为一种分子光谱，可以给出物质分子层次上的结构信息，在有机和高分子材料、无机材料以及无机-有机复合材料的测试分析中得到了广泛的应用。例如，利用拉曼光谱可以准确地鉴定宝石内部的包裹体，提供宝石的成因及产地信息，并且可以快速、无损和准确地鉴定宝石的类别(天然宝石、人工合成宝石)等；另外，拉曼光谱还被用于研究端粒DNA的溶液二级结构和核苷构象，揭示单链和双链端粒DNA的结构多态性。此外，拉曼光谱在Al-Si共晶体和SiC纤维增强玻璃复合材料、ZrO₂-Al₂O₃层状复合材料的空间分布及其残余应力分析等方面也得到了广泛应用。

近年来，为了探索在高温、高压等极端条件下材料的结构及性能变化情况，发现新的现象和探索新材料，人们通过原位采集高温和高压下有机和无机材料的拉曼光谱，系统研究了各种材料在极端条件下的结构及化学键类型、光电性能以及催化吸附性能等的特殊变化规律。例如，通过测试和分析不同温度下的拉曼光谱，可以研究晶体Bi₄Ge₃O₁₂的结构随温度变化的规律；通过连续测量变温拉曼光谱，研究人员发现锐钛矿型TiO₂在1373K～1473K发生相变，不可逆转化为金红石型TiO₂；将高温拉曼光谱与微型晶体生长设备相结合，还可以研究晶体生长过程中的固-液边界层以及边界层两侧熔体和晶体的结构特征，揭示生长基元结构从熔体经边界层过渡到晶体的变化过程；此外，拉曼光谱在石墨烯表面吸附行为的研究中也得到了大量应用。

通过极端条件下的原位拉曼光谱研究材料的特殊结构和性能虽然取得了很大进展，但因为极端条件对设备及其附件的苛刻要求，目前拉曼光谱原位监测附件的种类仍然很少，相应的研究结果也很少见。但是，随着在极端条件下使用的材料种类越来越多，人们迫切需要了解在这些苛刻的条件下材料的结构和性质变化规律，以采取措施提高材料和器件的可靠性；在这种情况下，清楚地了解材料在极端条件下的变化规律，就构成了有效地调控材料结构和性能的基础。因此，设计新的多功能联合原位测试池，实现高温、高压以及激光辐照多因素联合作用下材料拉曼光谱的原位采集，具有重要的意义和应用价值。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供一种多功能机械高压原位拉曼测试池。本发明可以实现在高温、高压以及激光辐照等极端条件下对材料的拉曼光谱进行原位测试，为研究特殊条件下材料的结构和性能、开发材料性能调控新方法奠定基础。

本发明还可以用于测试粉体、块体、高温熔体以及薄膜等多种形态的样品。

在加热、加压以及激光辐照下，可以连续地原位监测材料的拉曼光谱，从而在常压到上万大气压下对材料的结构变化、稳定性以及化学反应过程等进行连续原位跟踪。

本发明还提供上述机械高压原位拉曼测试池的使用方法。

本发明的技术方案如下：

一种多功能机械高压原位拉曼测试池，包括外高压筒，在所述外高压筒内、且沿径向由内而外嵌套有压杆部和导向筒部；

在所述导向筒部的前端设置有窗口片；所述导向筒部的末端延伸设置在所述外高压筒的外部、且与所述外高压筒的末端通过紧固件固定连接；

所述压杆部的前端抵压样品至所述窗口片；所述压杆部的末端延伸设置在所述导向筒部的末端的外部；所述导向筒部的末端与所述压杆部的末端通过螺纹方式连接。本发明中引用外高压筒，作用是为其内部的部件提供支撑，使之在承受高压时不至于变形。优选的，所述的外高压筒由高强度钢材加工，根据工作压力要求，外高压筒可以被制成单层结构、双层结构或多层结构。

本发明中引用窗口片，其作用包括参与形成密闭高压腔体以及为激发光和散射光提供传输通道，其根据工作压力不同，窗口片可选用玻璃、石英、蓝宝石、金刚石等材质加工。

根据本发明优选的，在所述外高压筒内设置有热电偶孔供热电偶插入。

根据本发明优选的，在所述外高压筒的外侧设置有加热部。优选的，所述加热部为加热管。此处设计的优点在于，是对整个测试池进行加热，为进行材料的原位测试提供高温条件。

根据本发明优选的，在所述外高压筒的外侧还设置有保温层。此处设计的优点在于，降低热损失和保持所述测试池的温度，同时防止高温损坏拉曼光谱仪。

根据本发明优选的，在所述外高压筒的底部设置有可调高度的底座。优选的，所述可调高度的底座为绝缘材质制成。

根据本发明优选的，所述可调高度的底座包括底座、连接螺钉和微调螺母。此处设计的优点在于，支撑外高压筒并与拉曼光谱仪连接，其中连接螺钉用于将底座固定于外高压筒的底部，并可以方便地调节外高压筒与水平面内的夹角；所述微调螺母用来对外高压筒的高度进行调整。

根据本发明优选的，所述压杆部包括高压压杆和在所述高压压杆末端设置的压力调节螺母。

根据本发明优选的，在所述高压压杆的末端延伸设置在所述导向筒部的末端的外部、且设置有卡挡压紧弹簧的凸缘，在所述凸缘和压力调节螺母之间设置有压紧弹簧。此处设计的优点在于，引入所述压紧弹簧，用于定量地调节施加到样品上的压力，通过预设定标，可以根据压紧弹簧的压缩量准确地计算出施加到样品上的压力。

根据本发明优选的，在所述压力调节螺母和压紧弹簧之间设置有弹簧挡片。此处设计的优点在于，所述弹簧挡片的作用是将压力调节螺母施加的压力传递给压紧弹簧，另外，弹簧挡片作为一个缓冲，当压力调节螺母转动时它还可阻止压紧弹簧随着转动。

根据本发明优选的，所述导向筒部沿前端至末端依次包括内高压辅筒、样品密封挡圈、内导向筒、主密封挡片和主密封法兰盘，所述主密封法兰盘通过紧固件与所述外高压筒的末端连接。此处设计的优点在于，所述内高压辅筒的作用包括：与内导向筒一起挤压样品密封挡圈，使之变形和实现对样品的密封；与高压压杆、窗口片以及密封缓冲垫片共同组成样品高压腔室。

所述样品密封挡圈的作用是将样品密封于窗口片附近的狭小空间内，以获得高强度的拉曼信号。

所述内导向筒的作用包括：一是引导高压压杆在轴线方向上对样品施加压力，防止偏离；二是与内高压辅筒一起挤压样品密封挡圈以及密封缓冲垫片，实现测试池和对样品的密封。

所述主密封挡片的作用是把主密封法兰盘产生的压力传递给辅助密封圆筒、内筒密封圈、样品密封挡圈以及密封缓冲垫片。

根据本发明优选的，所述内导向筒的末端部依次套设有内筒密封圈和辅助密封圆筒，所述主密封法兰盘通过主密封挡片、内筒密封圈和辅助密封圆筒相连。

此处设计的优点在于，所述内筒密封圈的作用有两个，一是对外高压筒与内导向筒之间的缝隙进行密封，二是传递主密封法兰盘施加的压力，促使密封缓冲垫片变形，实现对测试池的密封。所述辅助密封圆筒的作用是将主密封法兰盘上的压力传递给内筒密封圈以及密封缓冲垫片。

根据本发明优选的，在所述窗口片的前端和末端分别设置密封缓冲垫片。此处设计的优点在于，利于高压腔体密封以及在窗口片和外高压筒之间实现缓冲，以免损坏窗口片。

如上述机械高压原位拉曼测试池的工作方法，包括：

组装所述测试池：

1)依次向外高压筒内放置密封缓冲垫片、窗口片和密封缓冲垫片；

2)安装内高压辅筒和样品密封挡圈，装入内导向筒；

3)依次在内导向筒的末端部位套入内筒密封圈和辅助密封圆筒；

4)安装主密封挡片；

5)安装主密封法兰盘，并用紧固件压紧；

装入待测样品：

6)利用高压压杆穿入内导向筒中并压紧样品；

7)将所述压紧弹簧套装在高压压杆上，安装弹簧挡片；

8)将压力调节螺母拧入主密封法兰盘的螺孔内，通过调节压紧弹簧的压缩量改变施加到样品上的压力值；

9)对样品进行原位拉曼测试。

根据本发明优选的，在步骤8)中，还包括，将热电偶插入热电偶孔，通过调整加热管实现调节拉曼测试的温度。

本发明的优势在于：

1、当进行原位拉曼光谱测试时，本发明可变参数有温度、压力和激光辐照，工作压力可以从常压到上万大气压。在这种工作模式下，上述几个参数可以同时变化，也可以各自独立地变化，且在变化过程中可以连续地原位采集材料的拉曼光谱。

2、本发明通过对压紧弹簧进行准确定标，压力数值可以通过压力调节螺母的旋入量方便地进行调控。本发明避免了使用复杂的压力调节机构，使原位测试池与拉曼光谱仪更容易兼容；在机械高压原位测试模式下，设置了样品密封挡圈，有效地避免了样品在高温下熔化时从池体内、外高压筒间的缝隙中漏出，使得原位测试池可以方便地用于高温熔体的原位拉曼测试。

3、利用本发明所述原位拉曼测试池，不仅可以对材料进行常规的拉曼光谱测试，更可以在高温、高压以及激光辐照等极端条件下对材料的状态和性能进行原位跟踪测试。利用这些特殊功能，可以系统地考察极端条件下材料的结构及性能的特殊变化规律，拓展材料研究领域。在此基础上，探索和发现更有效的材料改性和处理新方法，为研制具有更好性能的新材料服务。

附图说明

图1本发明所述测试池的整体结构示意图；

图2本发明所述底座的俯视图；

图3本发明所述底座的侧视剖面图；

图4本发明所述外高压筒的侧视剖面图；

图5本发明所述密封缓冲垫片的侧视图；

图6本发明所述内高压辅筒的侧视剖面图；

图7本发明所述样品密封挡圈的侧视剖面图；

图8本发明所述辅助密封圆筒的轴向剖视图；

图9本发明所述内导向筒的轴向剖视图；

图10利用本发明的原位拉曼测试池测得的不同压力下CH₃NH₃PbI₃的拉曼光谱；

图11在33MPa机械高压下复合半导体CH₃NH₃PbI₃的变温拉曼光谱图；

图12在18MPa机械高压下CdI₂-吖啶复合半导体的变温拉曼光谱图；

在图1-12中，1、连接螺钉，2、微调螺母，3、底座，4、外高压筒，5、窗口片，6、样品，7、密封缓冲垫片，8、内高压辅筒，9、加热管，10、保温层，11、热电偶孔，12、内筒密封圈，13、样品密封挡圈，14、紧固件，15、辅助密封圆筒，16、内导向筒，17、主密封挡片，18、压紧弹簧，19、主密封法兰盘，20、压力调节螺母，21、高压压杆，22、弹簧挡片，23、所述测试池的前端方向；24、所述测试池的末端方向。

具体实施方式：

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明进一步的说明，但不限于此。

如图1-9所示。

实施例1、

一种多功能机械高压原位拉曼测试池，包括外高压筒4，在所述外高压筒4内、且沿径向由内而外嵌套有压杆部和导向筒部；

在所述导向筒部的前端设置有窗口片5；所述导向筒部的末端延伸设置在所述外高压筒4的外部、且与所述外高压筒4的末端通过紧固件14固定连接；

所述压杆部的前端抵压样品至所述窗口片5；所述压杆部的末端延伸设置在所述导向筒部的末端的外部；所述导向筒部的末端与所述压杆部的末端通过螺纹方式连接。

实施例2、

如实施例1所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其区别在于，在所述外高压筒4内设置有热电偶孔11供热电偶插入。

在所述外高压筒4的外侧设置有加热部。优选的，所述加热部为加热管9。

在所述外高压筒4的外侧还设置有保温层10。

实施例3、

如实施例1所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其区别在于，在所述外高压筒4的底部设置有可调高度的底座。所述可调高度的底座包括底座3、连接螺钉1和微调螺母2。

实施例4、

如实施例1所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其区别在于，所述压杆部包括高压压杆21和在所述高压压杆21末端设置的压力调节螺母20。

在所述高压压杆21的末端延伸设置在所述导向筒部的末端的外部、且设置有卡挡压紧弹簧18的凸缘，在所述凸缘和压力调节螺母20之间设置有压紧弹簧18。

在所述压力调节螺母20和压紧弹簧18之间设置有弹簧挡片。

所述导向筒部沿前端至末端依次包括内高压辅筒8、样品密封挡圈13、内导向筒16、主密封挡片17和主密封法兰盘19，所述主密封法兰盘19通过紧固件14与所述外高压筒4的末端连接。

实施例5、

如实施例4所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其区别在于，所述内导向筒16的末端部依次套设有内筒密封圈12和辅助密封圆筒15，所述主密封法兰盘19通过主密封挡片17、内筒密封圈12和辅助密封圆筒15相连。

在所述窗口片5的前端和末端分别设置密封缓冲垫片7。

实施例6、

如实施例5所述机械高压原位拉曼测试池的工作方法，包括：

组装所述测试池：

1)依次向外高压筒4内放置密封缓冲垫片7、窗口片5和密封缓冲垫片7；

2)安装内高压辅筒8和样品密封挡圈13，装入内导向筒16；

3)依次在内导向筒16的末端部位套入内筒密封圈12和辅助密封圆筒15；

4)安装主密封挡片17；

5)安装主密封法兰盘19，并用紧固件14压紧；

装入待测样品：

6)利用高压压杆21穿入内导向筒16中并压紧样品6；

7)将所述压紧弹簧18套装在高压压杆21上，安装弹簧挡片22；

8)将压力调节螺母20拧入主密封法兰盘19的螺孔内，通过调节压紧弹簧18的压缩量改变施加到样品6上的压力值；

9)对样品6进行原位拉曼测试。

实施例7、

如实施例6所述机械高压原位拉曼测试池的工作方法，在步骤8)中，还包括，将热电偶插入热电偶孔11，通过调整加热管9实现调节拉曼测试的温度。

本发明的应用例1：

利用实施例1-5所述的测试池对待测样品进行高压测试，利用实施例6所述的工作方法，连续改变施加到待测样品上的机械高压，原位采集CH₃NH₃PbI₃的拉曼光谱，如图10所示。

本发明的应用例2：

利用实施例1-5所述的测试池对待测样品进行高压测试，利用实施例6所述的工作方法，在33MPa机械高压下，通过连续改变温度，原位采集CH₃NH₃PbI₃的变温拉曼光谱如图11所示。

本发明的应用例3：

利用实施例1-5所述的测试池对待测样品进行高压测试，利用实施例6所述的工作方法，在532nm激光辐照的同时，通过改机械高压，采集0～400MPa压力下的聚3-己基噻吩(P3HT)的拉曼光谱。

本发明的应用例4：

利用实施例1-5所述的测试池对待测样品进行高压测试，利用实施例6所述的工作方法，在350MPa机械高压作用下，通过改变温度可以研究TiO₂的物相转变规律。

本发明的应用例5：

利用实施例1-5所述的测试池对待测样品进行高压测试，利用实施例6所述的工作方法，窗口片使用金刚石加工，在1200MPa的机械高压下，通过变化温度研究氮化硼的物相转变过程。

本发明的应用例6：

利用实施例1-5所述的测试池对待测样品进行高压测试，利用实施例6所述的工作方法，窗口片使用蓝宝石加工，密封缓冲垫片和样品密封挡圈用柔性石墨加工，在560MPa机械高压下研究聚醚醚酮的高温熔化过程和熔体结构。

本发明的应用例7：

利用实施例1-5所述的测试池对待测样品进行高压测试，利用实施例6所述的工作方法，在365nm激光辐照下，连续跟踪聚四氟乙烯塑料在不同温度下的分解过程和规律。

本发明的应用例8：

利用实施例1-5所述的测试池对待测样品进行高压测试，利用实施例6所述的工作方法，在300MPa机械高压作用下，通过改变温度研究ZrO₂的物相转变规律。

Claims (10)

1.一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其特征在于，所述测试池包括外高压筒，在所述外高压筒内、且沿径向由内而外嵌套有压杆部和导向筒部；

在所述导向筒部的前端设置有窗口片；所述导向筒部的末端延伸设置在所述外高压筒的外部、且与所述外高压筒的末端通过紧固件固定连接；

所述压杆部的前端抵压样品至所述窗口片；所述压杆部的末端延伸设置在所述导向筒部的末端的外部；所述导向筒部的末端与所述压杆部的末端通过螺纹方式连接。

2.根据权利要求1所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其特征在于，在所述外高压筒内设置有热电偶孔供热电偶插入；优选的，在所述外高压筒的外侧设置有加热部；优选的，在所述外高压筒的外侧还设置有保温层。

3.根据权利要求1所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其特征在于，在所述外高压筒的底部设置有可调高度的底座；优选的，所述可调高度的底座包括底座、连接螺钉和微调螺母。

4.根据权利要求1所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其特征在于，所述压杆部包括高压压杆和在所述高压压杆末端设置的压力调节螺母。

5.根据权利要求4所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其特征在于，在所述高压压杆的末端延伸设置在所述导向筒部的末端的外部、且设置有卡挡压紧弹簧的凸缘，在所述凸缘和压力调节螺母之间设置有压紧弹簧。

6.根据权利要求5所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其特征在于，在所述压力调节螺母和压紧弹簧之间设置有弹簧挡片。

7.根据权利要求1所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其特征在于，所述导向筒部沿前端至末端依次包括内高压辅筒、样品密封挡圈、内导向筒、主密封挡片和主密封法兰盘，所述主密封法兰盘通过紧固件与所述外高压筒的末端连接。

8.根据权利要求7所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其特征在于，所述内导向筒的末端部依次套设有内筒密封圈和辅助密封圆筒，所述主密封法兰盘通过主密封挡片、内筒密封圈和辅助密封圆筒相连。

9.根据权利要求1所述的一种多功能机械高压原位拉曼测试池，其特征在于，在所述窗口片的前端和末端分别设置密封缓冲垫片。

10.如权利要求1-9任意一项所述机械高压原位拉曼测试池的工作方法，其特征在于，该工作方法包括：

组装所述测试池：

1)依次向外高压筒内放置密封缓冲垫片、窗口片和密封缓冲垫片；

2)安装内高压辅筒和样品密封挡圈，装入内导向筒；

3)依次在内导向筒的末端部位套入内筒密封圈和辅助密封圆筒；

4)安装主密封挡片；

5)安装主密封法兰盘，并用紧固件压紧；

装入待测样品：

6)利用高压压杆穿入内导向筒中并压紧样品；

7)将所述压紧弹簧套装在高压压杆上，安装弹簧挡片；

8)将压力调节螺母拧入主密封法兰盘的螺孔内，通过调节压紧弹簧的压缩量改变施加到样品上的压力值；

9)对样品进行原位拉曼测试；

优选的，在步骤8)中，还包括，将热电偶插入热电偶孔，通过调整加热管实现调节拉曼测试的温度。