CN109966993A - 一种金刚石压腔及其机械传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的金刚石压腔，包括：压头、活塞、缸筒、推力球轴承、底座、顶砧、加热炉、电极接头、冷却水套及通气管道，活塞包括压台、第一压杆和第二压杆，第一压杆的杆身可沿缸筒滑动，压头和推力球轴承均套设在第二压杆的杆身上，压头的内部设有第一凹槽，推力球轴承和压台容置于第一凹槽内，压头的底面可旋转地连接缸筒的筒口，与第一压杆的端面相邻布置的缸筒的筒底上设有开口方向彼此相对的两个第二凹槽，两个底座分别容置于两个第二凹槽内，且固定在两个底座上的一对顶砧相互抵持，当沿缸筒不断旋进压头时，作用于一对顶砧的砧面间的待测样品上的压力逐渐增大，从而可用于进行高压实验。另外，本发明还提供了包括金刚石压腔的机械传动装置。

Description

一种金刚石压腔及其机械传动装置

技术领域

本发明涉及金刚石压腔技术领域，特别涉及一种金刚石压腔及其机械传动装置。

背景技术

利用金刚石压腔通过对压产生静态高压已经广泛应用于行星和地球科学、凝聚态物理学、化学、材料科学等研究领域，并取得了许多重要研究成果。然而，常规金刚石压腔只能获得静水压或准静水压环境，难以在稳态条件下使样品内部产生较大的剪切应力。因此，利用常规金刚石压腔模拟地球深部的温压条件具有一定的局限性。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种实现在超高压条件下获得较大的剪切应力，可使样品发生扭转变形的金刚石压腔。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种金刚石压腔，其特征在于，包括：压头、活塞、缸筒、推力球轴承、底座、顶砧、加热炉、电极接头、冷却水套及通气管道，其中：

所述活塞包括压台以及与所述压台的台面垂直设置的第一压杆和第二压杆，所述第一压杆的杆身可沿所述缸筒的筒壁滑动，所述压头和所述推力球轴承均套设在第二压杆的杆身上，所述压头的内部设有第一凹槽，所述推力球轴承和所述压台容置于所述第一凹槽内，所述压头的底面可旋转地连接所述缸筒的筒口，与所述第一压杆的端面相邻布置的缸筒的筒底上设有开口方向彼此相对的两个第二凹槽，两个所述底座分别容置于两个所述第二凹槽内，且固定在两个所述底座上的一对顶砧的砧面相互抵持，当沿所述缸筒不断旋进所述压头时，作用于一对所述顶砧的砧面间的待测样品上的压力逐渐增大；

所述底座上还设有加热炉，一对所述顶砧容置于是加热炉中部的加热腔内，所述电极接头的一端与外部电源连接，另一端与穿设在所述加热炉上的加热丝相连，所述冷却水套围绕在所述缸筒的外周，所述通气管道设置在所述缸筒的底部。

在一些较佳的实施例中，所述压头的底面与所述缸筒的筒口通过螺栓连接，通过旋转所述螺栓，可使所述压头与所述缸筒分离或紧靠。

在一些较佳的实施例中，所述第二压杆的杆身沿轴向刻有第一角度刻度尺，所述压头的上端面沿径向刻有第二角度刻度尺。

在一些较佳的实施例中，所述第一角度刻度尺的相邻刻度线之间角度间隔为15°，所述第二角度刻度尺的相邻刻度线之间角度间隔为5°。

在一些较佳的实施例中，所述推力球轴承包括第一滚道、滚动体和第二滚道，所述第一滚道与所述压头相抵持，所述第二滚道与所述压台相抵持，所述滚动体可滚动地位于所述第一滚道和第二滚道之间。

在一些较佳的实施例中，所述滚动体包括保持架和滚珠，所述保持架沿周向设有兜孔，所述滚珠位于所述兜孔内。

在一些较佳的实施例中，所述第一滚道、第二滚道均为钢板，所述钢板在对应所述滚珠的位置凹陷形成容纳所述滚珠的凹槽，另一面为光滑的平面。

在一些较佳的实施例中，所述缸筒的筒壁上还开设有两个相对布置的缺口，所述缺口与所述加热腔连通构成压腔。

在一些较佳的实施例中，所述加热炉包括底板和连接所述底板上的加热座，所述底板与所述加热座一体成型，所述底板与所述加热座贯穿有通孔，所述通孔所在位置处构成所述加热腔。

在一些较佳的实施例中，所述加热炉上设有穿设加热丝的穿丝孔和用于安装热电偶的连接孔，所述穿丝孔和所述连接孔均设置于所述加热座的径向方向上，且所述穿丝孔在所述加热座的径向方向上均匀布置，所述热电偶经所述缸筒延伸进入所述加热腔内。

在一些较佳的实施例中，所述缸筒临近筒底处的筒壁上设有连接管道，所述连接管道的管口与所述连接孔的孔口位置对应设置，且所述连接管道和连接孔内设有双孔陶瓷管，所述热电偶的两根裸丝分别从双孔陶瓷管的两个管道内进入所述加热腔。

在一些较佳的实施例中，所述冷却水套上设有冷水进口和热水出口。

在一些较佳的实施例中，所述电极接头为L形。

在一些较佳的实施例中，所述底座的材质为碳化钨，所述顶砧的材质为金刚石。

另一方面，本发明还提供了一种所述的金刚石压腔的机械传动装置，包括双层支架、交流伺服电机、摆线针轮减速机、直角轴减速机、传动轴、弹性联轴器及金刚石压腔，其中：

所述双层支架包括上层钢板、下层钢板、限位底座和支撑杆，所述限位底座固定在所述下层钢板，所述上层钢板及所述下层钢板通过所述支撑杆连接，所述交流伺服电机、摆线针轮减速机、直角轴减速机依次安装在所述上层钢板上，所述交流伺服电机、所述摆线针轮减速机和所述直角轴减速机之间均以传动轴相接，所述金刚石压腔的一端设置于所述限位底座上，其另一端通过所述弹性联轴器连接所述传动轴。

在一些较佳的实施例中，所述限位底座的端面设有第三凹槽，所述金刚石压腔的缸筒底部固定于所述第三凹槽内。

在一些较佳的实施例中，所述交流伺服电机的机身上设有编码器连接口和电源接口，所述编码器连接口和所述电源接口外接伺服驱动器，所述伺服驱动器与外接计算机通讯。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的金刚石压腔，包括：压头、活塞、缸筒、推力球轴承、底座、顶砧、加热炉、电极接头、冷却水套及通气管道，所述活塞包括压台以及与所述压台的台面垂直设置的第一压杆和第二压杆，所述第一压杆的杆身可沿所述缸筒的筒壁滑动，所述压头和所述推力球轴承均套设在第二压杆的杆身上，所述压头的内部设有第一凹槽，所述推力球轴承和所述压台容置于所述第一凹槽内，所述压头的底面可旋转地连接所述缸筒的筒口，与所述第一压杆的端面相邻布置的缸筒的筒底上设有开口方向彼此相对的两个第二凹槽，两个所述底座分别容置于两个所述第二凹槽内，且固定在两个所述底座上的一对顶砧的砧面相互抵持，当沿所述缸筒不断旋进所述压头时，作用于一对所述顶砧的砧面间的待测样品上的压力逐渐增大，至形成数百GPa的压力，从而可用于进行高压实验，结构简单，使用方便。

本发明提供的金刚石压腔的机械传动装置，包括双层支架、交流伺服电机、摆线针轮减速机、直角轴减速机、传动轴、弹性联轴器及金刚石压腔，本发明提供的金刚石压腔的机械传动装置，利用伺服电机带动金刚石压腔的上顶砧按照设定的旋转速率绕轴向旋转，从而实现在超高压条件下获得较大的剪切应力，使样品发生扭转变形，再配合拉曼光谱、X射线衍射等原位观测技术，为研究地球深部物质的物理化学性质提供了有力工具。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例1提供的一角度金刚石压腔的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的另一角度金刚石压腔的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的金刚石压腔的压头的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的金刚石压腔的活塞的结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的金刚石压腔的顶砧的结构示意图；

图6为本发明实施例1提供的金刚石压腔的推力球轴承的立体分解图；

图7为本发明实施例1提供的金刚石压腔的加热炉的俯视示意图；

图8为本发明实施例1提供的金刚石压腔的加热炉的截面示意图；

图9为本发明实施例2提供的金刚石压腔的机械传动装置的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-图8，为本发明实施例提供的金刚石压腔，包括：压头10、活塞20、缸筒30、推力球轴承40、底座50、顶砧60、加热炉70、电极接头80、冷却水套90及通气管道100。其中，所述底座50的材质为碳化钨，所述顶砧60的材质为金刚石。

以下详细说明各个部件之间的连接关系及其工作方式。

所述活塞20包括压台21以及与所述压台21的台面垂直设置的第一压杆22和第二压杆23，所述第一压杆22的杆身可沿所述缸筒30的筒壁滑动，所述压头21的底面可旋转地连接所述缸筒30的筒口。

优选地，压台21台面与缸筒30的筒口边沿处存在空隙，所述压头21的底面与所述缸筒30的筒口通过螺栓连接，通过旋转所述螺栓，可使所述压头21与所述缸筒30分离或紧靠。

所述压头10和所述推力球轴承40均套设在第二压杆23的杆身上，所述压头10的内部设有第一凹槽a，所述推力球轴承40和所述压台21容置于所述第一凹槽a内。

优选地，所述第二压杆23的杆身沿轴向刻有第一角度刻度尺24，所述压头10的上端面沿径向刻有第二角度刻度尺11。

进一步地，所述第一角度刻度尺24的相邻刻度线之间角度间隔为15°，所述第二角度刻度尺11的相邻刻度线之间角度间隔为5°。

可以理解，由于所述第二压杆23的杆身沿轴向刻有第一角度刻度尺24，所述压头10的上端面沿径向刻有第二角度刻度尺11，从而可读出实验过程中活塞20旋转的角度。

与所述第一压杆22的端面相邻布置的缸筒30的筒底上设有开口方向彼此相对的两个第二凹槽b，两个所述底座50分别容置于两个所述第二凹槽b内，且固定在两个所述底座50上的一对顶砧60的砧面61相互抵持，当沿所述缸筒30不断旋进所述压头10时，作用于一对所述顶砧60的砧面61间的待测样品上的压力逐渐增大。

可以理解，当不断旋进压头10与缸筒30之间的螺栓时，作用于一对顶砧60砧面间的待测样品上的压力逐渐增大，至形成数百GPa的压力，因此该金刚石压腔可用于进行高压实验。

优选地，所述推力球轴承40包括第一滚道41、滚动体42和第二滚道44，所述第一滚道41与所述压头10相抵持，所述第二滚道42与所述压台21相抵持，所述滚动体42可滚动地位于所述第一滚道41和第二滚道42之间。

进一步地，所述滚动体42包括保持架43和滚珠45，所述保持架43沿周向设有兜孔(图未示)，所述滚珠45位于所述兜孔内。

进一步地，所述第一滚道41、第二滚道44均为钢板，所述钢板在对应所述滚珠45的位置凹陷形成容纳所述滚珠45的凹槽，另一面为光滑的平面。

可以理解，由于压头10与活塞20的分离式结构，在推力球轴承40的作用下，使得第二压杆23在外力偶作用下可以自由旋转。

所述底座50上还设有加热炉70，一对所述顶砧60容置于加热炉70中部的加热腔71内，所述电极接头80的一端与外部电源连接，另一端与穿设在所述加热炉70上的加热丝相连，所述冷却水套90围绕在所述缸筒30的外周，所述冷却水套90上设有冷水进口91和热水出口92，所述通气管道100设置在所述缸筒30的底部。

进一步地，所述缸筒30的筒壁上还开设有两个相对布置的缺口31，所述缺口31与所述加热腔71连通构成压腔。

可以理解，在实际使用中，先取出压头10、活塞20和推力球轴承40，然后在缺口31处将待测样品放置于顶砧60的砧面61上，再装好活塞20、推力球轴承40和压头10进行实验；通过缺口31可方便实验者原位观察砧面61上的实验过程。

优选地，所述加热炉70包括底板72和连接所述底板72上的加热座73，所述底板72与所述加热座73一体成型，所述底板72与所述加热座73贯穿有通孔，所述通孔所在位置处构成所述加热腔71，通过加热炉70的可为待测样品提供高温环境，完成高温实验。

进一步地，所述加热炉70上设有穿设加热丝的穿丝孔74和用于安装热电偶的连接孔75，所述穿丝孔74和所述连接孔75均设置于所述加热座73的径向方向上，且所述穿丝孔74在所述加热座73的径向方向上均匀布置，所述热电偶经所述缸筒延伸进入所述加热腔71内。

可以理解，在实际使用中，沿穿丝孔74的位置布置方式顺次将加热丝缠绕在加热炉70上即可，缠绕过程中，应避免加热丝之间的相互接触以损坏加热炉70。

优选地，所述缸筒30临近筒底处的筒壁上设有连接管道32，所述连接管道32的管口与所述连接孔75的孔口位置对应设置，且所述连接管道32和连接孔75内设有双孔陶瓷管，所述热电偶的两根裸丝分别从双孔陶瓷管的两个管道内进入所述加热腔71。

进一步地，所述电极接头80为L形，其一端与外部电源连接，另一端与穿设在加热炉70上的加热丝相连。

优选地，冷却水套90上设有冷水进口91和热水出口92，在实际过程中，打开冷却水套90，通过循环的冷却水可降低压腔表面的温度，避免因温度过高而损害其他设备零件。

可以理解，由于所述通气管道100布设在缸筒30底部，保护气体自外部经通气管道100延伸进压腔中。

优选地，所述保护气体为2％H2和98％Ar组成的混合气体，可以有效避免顶砧60和加热丝的氧化。

本发明提供的金刚石压腔，所述活塞20包括压台21以及与所述压台21的台面垂直设置的第一压杆22和第二压杆23，所述第一压杆22的杆身可沿所述缸筒30的筒壁滑动，所述压头10和所述推力球轴承40均套设在第二压杆23的杆身上，所述压头10的内部设有第一凹槽a，所述推力球轴承40和所述压台21容置于所述第一凹槽a内，所述压头10的底面可旋转地连接所述缸筒30的筒口，与所述第一压杆22的端面相邻布置的缸筒30的筒底上设有开口方向彼此相对的两个第二凹槽b，两个所述底座50分别容置于两个所述第二凹槽b内，且固定在两个所述底座50上的一对顶砧60的砧面61相互抵持，当沿所述缸筒30不断旋进所述压头时，作用于一对所述顶砧60的砧面61间的待测样品上的压力逐渐增大，至形成数百GPa的压力，从而可用于进行高压实验，结构简单，使用方便。

实施例二

请参阅图9，为本发明实施例提供的金刚石压腔的机械传动装置，包括双层支架A、交流伺服电机B、摆线针轮减速机C、直角轴减速机D、传动轴E、弹性联轴器F及金刚石压腔G。

所述双层支架A包括上层钢板A1、下层钢板A2、限位底座A3和支撑杆A4，所述限位底座A3固定在所述下层钢板A2，所述上层钢板A1及所述下层钢板A2通过所述支撑杆A4连接，所述交流伺服电机B、摆线针轮减速机C、直角轴减速机D依次安装在所述上层钢板A1上，所述交流伺服电机B、所述摆线针轮减速机C和所述直角轴减速机D之间均以传动轴E相接，所述金刚石压腔的一端设置于所述限位底座A3上，其另一端通过所述弹性联轴器F连接所述传动轴E。

可以理解，由于交流伺服电机B和减速机C、D之间均以传动轴相接，交流伺服电机B的转速可控范围为1-2400r/min，摆线针轮减速机C的减速比为319，直角轴减速机D的减速比为30，因此经过三级减速(E1，E2，E3)后，传动轴E的输出终端E4的转速可控范围为0.000118-0.283°/min。传动轴终端E4与金刚石压腔G之间以弹性联轴器F相连，弹性联轴器F使动力传输流畅、安静，扭矩传递精确。

优选地，所述限位底座A3的端面设有第三凹槽，所述金刚石压腔的缸筒30底部固定于所述第三凹槽内，以确保缸筒30处于固定锁死状态。

优选地，所述交流伺服电机B的机身上设有编码器连接口和电源接口，所述编码器连接口和所述电源接口外接伺服驱动器，所述伺服驱动器与外接计算机通讯，从而可以通过控制软件精确控制传动轴输出终端E4的旋转角度。

发明提供的金刚石压腔的机械传动装置，利用伺服电机带动金刚石压腔的上顶砧按照设定的旋转速率绕轴向旋转，从而实现在超高压条件下获得较大的剪切应力，使样品发生扭转变形，再配合拉曼光谱、X射线衍射等原位观测技术，为研究地球深部物质的物理化学性质提供了有力工具。

当然本发明的金刚石压腔还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (17)

1.一种金刚石压腔，其特征在于，包括：压头、活塞、缸筒、推力球轴承、底座、顶砧、加热炉、电极接头、冷却水套及通气管道，其中：

所述活塞包括压台以及与所述压台的台面垂直设置的第一压杆和第二压杆，所述第一压杆的杆身可沿所述缸筒的筒壁滑动，所述压头和所述推力球轴承均套设在第二压杆的杆身上，所述压头的内部设有第一凹槽，所述推力球轴承和所述压台容置于所述第一凹槽内，所述压头的底面可旋转地连接所述缸筒的筒口，与所述第一压杆的端面相邻布置的缸筒的筒底上设有开口方向彼此相对的两个第二凹槽，两个所述底座分别容置于两个所述第二凹槽内，且固定在两个所述底座上的一对顶砧的砧面相互抵持，当沿所述缸筒不断旋进所述压头时，作用于一对所述顶砧的砧面间的待测样品上的压力逐渐增大；

所述底座上还设有加热炉，一对所述顶砧容置于所述加热炉中部的加热腔内，所述电极接头的一端与外部电源连接，另一端与穿设在所述加热炉上的加热丝相连，所述冷却水套围绕在所述缸筒的外周，所述通气管道设置在所述缸筒的底部。

2.如权利要求1所述的金刚石压腔，其特征在于，所述压头的底面与所述缸筒的筒口通过螺栓连接，通过旋转所述螺栓，可使所述压头与所述缸筒分离或紧靠。

3.如权利要求1所述的金刚石压腔，其特征在于，所述第二压杆的杆身沿轴向刻有第一角度刻度尺，所述压头的上端面沿径向刻有第二角度刻度尺。

4.如权利要求3所述的金刚石压腔，其特征在于，所述第一角度刻度尺的相邻刻度线之间角度间隔为15°，所述第二角度刻度尺的相邻刻度线之间角度间隔为5°。

5.如权利要求1所述的金刚石压腔，其特征在于，所述推力球轴承包括第一滚道、滚动体和第二滚道，所述第一滚道与所述压头相抵持，所述第二滚道与所述压台相抵持，所述滚动体可滚动地位于所述第一滚道和第二滚道之间。

6.如权利要求5所述的金刚石压腔，其特征在于，所述滚动体包括保持架和滚珠，所述保持架沿周向设有兜孔，所述滚珠位于所述兜孔内。

7.如权利要求6所述的金刚石压腔，其特征在于，所述第一滚道、第二滚道均为钢板，所述钢板在对应所述滚珠的位置凹陷形成容纳所述滚珠的凹槽，另一面为光滑的平面。

8.如权利要求1所述的金刚石压腔，其特征在于，所述缸筒的筒壁上还开设有两个相对布置的缺口，所述缺口与所述加热腔连通构成压腔。

9.如权利要求8所述的金刚石压腔，其特征在于，所述加热炉包括底板和连接所述底板上的加热座，所述底板与所述加热座一体成型，所述底板与所述加热座贯穿有通孔，所述通孔所在位置处构成所述加热腔。

10.如权利要求9所述的金刚石压腔，其特征在于，所述加热炉上设有穿设加热丝的穿丝孔和用于安装热电偶的连接孔，所述穿丝孔和所述连接孔均设置于所述加热座的径向方向上，且所述穿丝孔在所述加热座的径向方向上均匀布置，所述热电偶经所述缸筒延伸进入所述加热腔内。

11.如权利要求10所述的金刚石压腔，其特征在于，所述缸筒临近筒底处的筒壁上设有连接管道，所述连接管道的管口与所述连接孔的孔口位置对应设置，且所述连接管道和连接孔内设有双孔陶瓷管，所述热电偶的两根裸丝分别从双孔陶瓷管的两个管道内进入所述加热腔。

12.如权利要求11所述的金刚石压腔，其特征在于，所述电极接头为L形。

13.如权利要求1所述的金刚石压腔，其特征在于，所述冷却水套上设有冷水进口和热水出口。

14.如权利要求1所述的金刚石压腔，其特征在于，所述底座的材质为碳化钨，所述顶砧的材质为金刚石。

15.一种如权利要求1所述的金刚石压腔的机械传动装置，其特征在于，包括双层支架、交流伺服电机、摆线针轮减速机、直角轴减速机、传动轴、弹性联轴器及金刚石压腔，其中：

所述双层支架包括上层钢板、下层钢板、限位底座和支撑杆，所述限位底座固定在所述下层钢板，所述上层钢板及所述下层钢板通过所述支撑杆连接，所述交流伺服电机、摆线针轮减速机、直角轴减速机依次安装在所述上层钢板上，所述交流伺服电机、所述摆线针轮减速机和所述直角轴减速机之间均以传动轴相接，所述金刚石压腔的一端设置于所述限位底座上，其另一端通过所述弹性联轴器连接所述传动轴。

16.如权利要求15所述的金刚石压腔的机械传动装置，其特征在于，所述限位底座的端面设有第三凹槽，所述金刚石压腔的缸筒底部固定于所述第三凹槽内。

17.如权利要求15所述的金刚石压腔的机械传动装置，其特征在于，所述交流伺服电机的机身上设有编码器连接口和电源接口，所述编码器连接口和所述电源接口外接伺服驱动器，所述伺服驱动器与外接计算机通讯。