CN109443923A - 一种用于产生高压高剪切应力的球面复合材料压砧 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生高压高剪切应力的球面复合材料压砧，属于高压技术领域。其特点是是该压砧分为上下两层，上层为球面聚晶金刚石层，下层为圆柱体硬质合金层。压砧的聚晶金刚石层的顶端为球面，在球面顶端加工出一个圆形平台，此聚晶金刚层的顶端的圆形台面为压砧的作用面。该种压砧与现在应用的单晶金刚石压砧相比，具容易加工、韧性高、作用面尺寸大、样品腔直径可达到厘米级等优点，与圆锥台型的压砧相比，具有支撑力更强、不易破损、使用寿命更长等特点。可广泛应用于利用旋转压机进行高压材料性质变化的研究，满足在高压物理学领域对高压剪切物质体系研究中所需样品量较大、剪切力较高、可进行电学测量等的需求。

Description

一种用于产生高压高剪切应力的球面复合材料压砧
技术领域
本发明涉及一种用于产生高压高剪切应力的球面复合材料压砧，具体来说，是在旋转压机装置中使用的对顶压砧。
背景技术
根据近年来已报道的理论和实验结果显示，对某些材料在高压条件下同时施加剪切应力会明显加速物质的晶格畸变，降低物质相变压力，甚至改变其相变路径，尤其对层状物质结构的变化影响显著。因而在高压条件下同时对材料施加剪切应力，能够获得一些单独高压环境下得不到的新结构、新现象和新性质。在传统静水压环境下，样品所受的压力是各向同性的，在外界施加的能量超过材料相变能量势垒后相变才会发生，而通过施加剪切应力，应力会在样品某一区域集中，相变在这一区域首先发生，从而可以大幅降低相变压力。
在静高压实验中通常使用单晶金刚石作为原材料打磨加工后做成压砧，利用金刚石对顶砧装置进行加压，既可以产生极高的压力也可以将金刚石作为光学窗口进行光学测量。近年来，有一些旋转压机装置利用单晶金刚石作为压砧对实验样品施加高压高剪切力，其优点在于可以对内部样品的变化进行直接测量，并且可对样品施加较高的压力，但在实验实际使用过程中发现单晶金刚石作为压砧用在旋转压机上也存在一些弊端。一方面单晶金刚石的生产及加工受到技术和成本的限制，很难做成大尺寸压砧，导致可进行实验的样品量十分微少，更加难以应用到实际生产当中，且实验表明，只有使用大尺寸压砧，才更易产生较大的剪切应力，从而易使材料发生异常转变。另一方面，单晶金刚石虽硬度极高、韧性和耐磨性较差，在实验中、尤其是旋转操作中易损坏，实验成本极高。所以迫切要求寻找其他的材料和制备方法替代单晶金刚石制作成压砧用于旋转压机上。
发明内容
本发明的目的是针对现有单晶金刚石压砧无法做成大尺寸和韧性、耐磨性较差的不足，提供一种用于产生高压高剪切应力的球面复合材料压砧，通过改良压砧的形状和材质，使得高压高剪切实验中可容纳更大的样品量，同时起到提高压砧的韧性和耐磨性，增加压砧的使用寿命的作用。
本发明的目的由以下技术措施实现：
一种用于产生高压高剪切应力的球面复合材料压砧，该压砧分为上下两层，上层为聚晶金刚石层1，下层为圆柱体的硬质合金层2；聚晶金刚石层与硬质合金层以直接烧结成一体的方式结合；聚晶金刚石层1通过将其半球形顶端研磨出一个水平方向的圆形平台3得到，圆形平台3作为作用面，并通过抛光处理使作用面与聚晶金刚石层1的球面之间平滑过渡；保证作用面半径延长线与球面之间的夹角θ1在接近作用面处无限趋近于于0，圆柱体侧棱延长线与球面之间的夹角θ2在接近圆柱体侧棱处无限趋近于于0。
聚晶金刚石层半球面的半径R在10～25cm之间，压砧的整体高度在5～20cm之间、聚晶金刚石层的厚度在0.5～5cm之间、压砧圆柱半径r’在1～10cm之间，作用面r的大小在0～r’之间。
硬质合金层2的材料采用碳化钨硬质合金。
压机工作时，上下两个压砧置于旋转压机中，作用面对在一起，中间装入封垫材料和样品，外部驱动力使两个压砧之间产生压力以及剪切应力进行实验。
本发明具有以下优点：
1.可制作成较大尺寸的压砧，作用面直径可达到10cm以上，样品腔直径可达到厘米级以上，可容纳较大样品量进行实验，补充了单晶金刚石压砧所无法达到的实验效果。
2.虽然聚晶金刚石的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，加入了结合剂，其硬度低于单晶金刚石，使实验可达到的最高压力低于单晶金刚石压砧，但由于聚晶金刚石中存在大量晶界，界面处键角可发生变化，烧结体宏观表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。且烧结体中含有少量金属，使得本发明中的压砧具有良好的韧性，起到增加压砧的使用寿命的作用。
3.聚晶金刚石可以导电，可利用此发明中的压砧直接进行高压电学测量。
4.聚晶金刚石的导热系数为700W/mK，其作为压砧可在高压高剪切应力加温实验中进行良好的热量传导作用；
5.聚晶金刚石摩擦系数仅为0.1～0.3，其作为压砧更易于进行旋转操作；
6.聚晶金刚石与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，使得实验后的压砧可重复使用。
7.压砧符合材料可含足够量的导电材料，从而使压砧导电，这给材料的高压电学测量提供了极大的便利。
8.通过材料复合，即保存了超硬特性，有增加了韧性。与单晶材料压砧相比，具有更有益的机械性能，有利于对材料的各种力学处理。
本发明与圆锥台型的压砧相比具有以下优点：
1.提高相同样品腔内产生压力的极限值。
2.由于去除了硬边界(顶面和斜面的连接，清楚了应力集中点，继而去掉了破碎引爆点，使得压砧的破裂真正由压砧材料的抗压强度决定，由此达到压强最大值的实现。
3.压砧台面部分由平面改变为小角度渐进曲面，从而既能实现外环对环内材料的充分支撑(大质量支撑原理)，又减少外围材料在径向的不对称性应力作用，从而降低压砧外围的首先破损。
4.因压砧的曲面减少了压砧加压过程中的推进阻力，从而降低了密封材料对加压推进力的损耗，从而实现加压外力与样品腔压力转换系数提高，亦即压强值的提高。
5.由于压砧的曲面几何造成密封材料(垫片)的中心线纵切面的曲面倒三角形状，形成类似压砧的形状，从而通过密封材料物质的径向面积连续增加实现了从中心到边缘的压力的连续降低。一方面充分保证了样品腔的压力密封，另一方面降低了对密封材料的脆性限制。
附图说明
附图1是本发明一种用于产生高压高剪切应力的球面复合材料压砧的立体结构示意图；
附图2是两个压砧对在一起进行高压高剪切实验的结构示意图。
附图中各部件的标记如下：1、聚晶金刚石层；2、硬质合金层；3、圆形平台；4、压砧；5、封垫材料和样品。5、样品；6、封垫材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行具体阐述，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。
具体实施例：
如图1和图2所示，用于产生高压高剪切应力的压砧分为上下两层，上层为聚晶金刚石层1，下层为圆柱体的硬质合金层2；聚晶金刚石层与硬质合金层以直接烧结成一体的方式结合。聚晶金刚石通过将半球形顶端沿水平方向研磨出一个圆形平台3，通过抛光处理使所述的圆形平台3与聚晶金刚石层1的球面之间平滑过渡；
本实施例中聚晶金刚石层1球面的半径为10cm，压砧的高度为12cm、硬质合金层2的厚度为6cm、圆形平台3的半径为2.5cm。
压砧的尺寸、球面半径的大小、压力作用面的大小以及样品腔直径由实验所需达到的最高压力和剪切应力的大小以及所使用的两面顶压机的重量所设计，其具体数值可根据高压实验的经验、实验具体要求及压砧工作原理进行调整。
制备过程：
将金刚石粉末与其粘接剂粉末的混合物放置到半球形小杯中，与硬质合金基体一起预压成型，然后在高温高压条件下烧结成为一体。经过机械加工，并将聚晶金刚石的球面顶端研磨出一个圆形平台3，圆形平台3经过抛光处理，保证作用面半径延长线与球面之间的夹角θ1在接近作用面处无限趋近于0，圆柱体侧棱延长线与球面之间的夹角θ2在接近圆柱体侧棱处无限趋近于0，制作成为球面复合材料压砧。
本发明所述的压砧的工作原理为，压机工作时，上下两个压砧置于旋转压机中，作用面对在一起，中间装入封垫材料和样品，外部驱动力使两个压砧之间产生压力以及剪切应力进行进行实验。

Claims (3)

1.一种用于产生高压高剪切应力的球面复合材料压砧，其特征在于，该压砧分为上下两层，上层为聚晶金刚石层(1)，下层为圆柱体的硬质合金层(2)；聚晶金刚石层(1)与硬质合金层(2)之间以直接烧结成一体的方式结合；聚晶金刚石层(1)通过将其半球形顶端研磨出一个水平方向的圆形平台(3)得到，圆形平台(3)作为作用面，并通过抛光处理使作用面与聚晶金刚石层(1)的球面之间平滑过渡，保证作用面半径延长线与球面之间的夹角θ1在接近作用面处无限趋近于于0，圆柱体侧棱延长线与球面之间的夹角θ2在接近圆柱体侧棱处无限趋近于于0。
2.根据权利要求1所述的用于产生高压高剪切应力的球面复合材料压砧，其特征在于，聚晶金刚石层半球面的半径R在10～25cm之间、压砧的整体高度在5～20cm之间、聚晶金刚石层的厚度在0.5～5cm之间和/或压砧圆柱半径r’在1～10cm之间。
3.根据权利要求1所述的用于产生高压高剪切应力的球面复合材料压砧，其特征在于，硬质合金层(2)的材料采用碳化钨硬质合金。
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