CN110146386B - 一种基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置 - Google Patents

一种基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置，包括固定组件、加压组件、感压组件和控制组件，加压组件的施力件安装在固定组件内，感压组件的感压件安装在固定组件内并检测施力件施加的压力信息传输给控制组件，控制组件处理后给加压组件发送控制指令，使加压组件对固定组件内样品均匀施压。本发明适配性较强；采用环形气/油囊为动力，推动承载板升降进行压力加载，压力更加均匀可控，避免了手动加压时因内部压力不均匀导致的样品腔缩孔、偏孔和样品泄漏等缺点；采用流量泵进行计量加压，能够灵活的控制加载步长，增加了实验的可靠性和可控性，提高了实验的成功率，减小了因压力不均匀和步长不统一产生的实验损耗。

Description

一种基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置
技术领域
本发明属于超高压物理实验领域，具体涉及一种基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置。
背景技术
在压力环境下，物质的结构和性质都会发生改变，有利于发现一些新材料、新现象和新规律。而高压实验研究中，金刚石对顶砧（DAC）具有高的硬度和良好的透明性，能够产生超高压环境，且能与多种光谱技术联用。因此，DAC可用于高压下的原位观测和测量，属于高压下物质结构和性能研究的关键设备。
DAC是通过外力对被置于压砧中间垫片进行挤压，通过垫片的挤压变行而使中间样品腔内产生高压。由于金刚石砧面较小，在加压过程中常因受力不均匀而使样品腔变行或样品泄漏等问题，且压力过高时还会导致金刚石的破裂，给实验人员造成较大的人力和无力的损失。同时，由于金刚石对顶砧多采用分步测量和观测，然而实验压力步长多因人为原因而不能较好的控制，容易出现关键压力点的遗漏。为满足高压实验的发展需求，急需一种金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置。
发明专利（专利号201810304022.5）曾研制了一种基于金刚石对顶砧压机的四轴联动加压设备，该设备利用四个电机联动同时旋转增压螺栓，通过输入相同的转矩对实验样品进行加压。但是，由于DAC中对顶砧上下砧面间距较小，电机旋转控制螺栓的精度有限，未考虑加压步长的精确控制。另外，该设备体积较大，设计中未考虑实验检测的光路通道，不便于实现高压下样品的光谱测量。
发明内容
针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置，简化了实验操作过程，实现了实验中的等压力步长连续加载，提高了实验成功率和实验精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置，包括固定组件、加压组件、感压组件和控制组件，加压组件的施力件安装在固定组件内，感压组件的感压件安装在固定组件内并检测施力件施加的压力信息传输给控制组件，控制组件处理后给加压组件发送控制指令，使加压组件对固定组件内样品均匀施压。
具体地，所述固定组件，包括固定架，固定架内设有工作腔，工作腔内安装有金刚石对顶砧和承载板；预压螺钉向下穿过固定架伸入工作腔内并将金刚石对顶砧限定在承载板上；具体是在固定架上部设有螺纹孔，预压螺钉与螺纹孔螺纹连接，且预压螺钉为扁平柱状，在预压螺钉的顶部设有限位凹槽，金刚石对顶砧的上部位于限位凹槽内，且在限位凹槽内设有通光孔Ⅰ。
在承载板下方的工作腔内设有感压件和施力件，感压件位于承载板和施力件之间，承载板在施力件的作用下在工作腔内上下移动。
且在承载板上设有让位孔；在固定架下部设有与工作腔相通的通光孔Ⅱ，通光孔Ⅰ、金刚石对顶砧、让位孔和通光孔Ⅱ形成光路通道。
为了确保施力的准确，不倾斜，在工作腔的底部设有环形凹槽，承载板承设置成环形柱状并通过让位孔套设在工作腔底部的凸起上，感压件和施力件均设置在环形凹槽内，通光孔Ⅱ贯通凸起设置。
为了确保金刚石对顶砧被固定牢固，在承载板上端面设有限位卡槽，金刚石对顶砧的下部位于限位卡槽内。
并且在承载板下端设有卡块，防止感压件和施力件偏置，确保承载板直线上下移动，确保施力平衡。
所述加压组件，包括耐压囊、双向电磁阀、流量泵和导管；耐压囊安装在工作腔内，并通过穿出固定架的导管与双向电磁阀连通，双向电磁阀通过导管与流量泵连通；双向电磁阀和流量泵均与控制组件连接。所述耐压囊为耐压气垫或耐压油囊，为环形轮胎状，具有一定的耐压和膨胀强度，置于承载板与环形凹槽之间，用于推动承载板的升降；所述流量泵为可控计量、增压流量泵，用于往耐压气垫或耐压油囊内输入气/油介质，为挤压DAC提供动力，并对输出的介质进行计量。
所述感压组件，包括压力应变片和信号放大器，所述压力应变片为环形薄片，设置在工作腔内并位于承载板和耐压囊之间，用于测量承载板所受到的压力，并将检测信号经信号放大器放大后通过信号线传输给控制组件。
控制组件连接感压组件和加压组件，分析感压组件的压力反馈信号，并通过控制加压组件实现对样品进行等步长、均匀加载。
与现有技术相比，本发明的主要特色在于：
1.本发明针对传统DAC设计，几乎兼容市面上所有DAC压机进行实验，适配性较强。
2. 本发明借助于气/油介质，采用流量泵推动气/油囊实现承载板的升降而进行加载，改变原有手动分布加载的模式。
3.本发明采用环形气/油囊为动力，推动承载板升降进行压力加载，压力更加均匀可控，避免了手动加压时因内部压力不均匀导致的样品腔缩孔、偏孔和样品泄漏等缺点。
4.本发明采用流量泵进行计量加压，能够灵活的控制加载步长，增加了实验的可靠性和可控性，提高了实验的成功率，减小了因压力不均匀和步长不统一产生的实验损耗。
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他的附图。
图1为本发明的基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置的三维视图。
图2为本发明的基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置的侧视图。
图3为本发明的基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置的加压组件和控制组件的原理框图。
图4为本发明实施例室温下连续可控加载装置中DAC压腔内红宝石荧光峰的位置。
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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置，如图1-3所示，包括固定组件、加压组件、感压组件和控制组件，加压组件的施力件安装在固定组件内，感压组件的感压件安装在固定组件内并检测施力件施加的压力信息传输给控制组件，控制组件处理后给加压组件发送控制指令，使加压组件对固定组件内样品均匀施压。
具体地，所述固定组件，用于固定DAC和对其进行预压加载，包括固定架1，固定架1内设有工作腔2，工作腔2内安装有金刚石对顶砧4和承载板5；预压螺钉3向下穿过固定架1伸入工作腔2内并将金刚石对顶砧4限定在承载板5上；具体是在固定架1上部设有螺纹孔，预压螺钉3与螺纹孔螺纹连接，且预压螺钉为扁平柱状，在预压螺钉的顶部设有限位凹槽，金刚石对顶砧4的上部位于限位凹槽内，且在限位凹槽内设有通光孔Ⅰ。
在承载板5下方的工作腔内设有感压件和施力件，感压件位于承载板5和施力件之间，承载板5在施力件的作用下在工作腔2内上下移动。
且在承载板5上设有让位孔；在固定架1下部设有与工作腔2相通的通光孔Ⅱ，通光孔Ⅰ、金刚石对顶砧4、让位孔和通光孔Ⅱ形成光路通道。
为了确保施力的准确，不倾斜，在工作腔2的底部设有环形凹槽6，承载板5承设置成环形柱状并通过让位孔套设在工作腔2底部的凸起上，感压件和施力件均设置在环形凹槽6内，通光孔Ⅱ贯通凸起设置。
为了确保金刚石对顶砧被固定牢固，在承载板5上端面设有限位卡槽，金刚石对顶砧4的下部位于限位卡槽内。
并且在承载板5下端设有卡块，防止感压件和施力件偏置，确保承载板直线上下移动，确保施力平衡。
所述加压组件，用于连续可控加载的外部动力，包括耐压囊7、双向电磁阀8、流量泵9和导管10；耐压囊7安装在工作腔2内，并通过穿出固定架1的导管10与双向电磁阀8连通，双向电磁阀8通过导管与流量泵9连通；双向电磁阀8和流量泵9均与控制组件连接。所述耐压囊为耐压气垫或耐压油囊，为环形轮胎状，具有一定的耐压和膨胀强度，置于承载板与环形凹槽之间，用于推动承载板的升降；所述流量泵为可控计量、增压流量泵，用于往耐压气垫或耐压油囊内输入气/油介质，为挤压DAC提供动力，并对输出的介质进行计量。
所述感压组件，用于精确测量加载在承载板5上的压力，并将信号反馈，包括压力应变片11和信号放大器，所述压力应变片为环形薄片，设置在工作腔2内并位于承载板5和耐压囊7之间，用于测量承载板所受到的压力，并将检测信号经信号放大器放大后通过信号线传输给控制组件。
所述控制组件包括控制器，连接感压组件和加压组件，分析感压组件的压力反馈信号，并通过控制加压组件实现对样品进行等步长、均匀加载。
本发明利用流量泵计量将介质输入到耐压气囊/耐压油囊内，通过耐压气囊/耐压油囊的伸缩，推动承载板对传统DAC进行连续可控加载，克服了分步加载模式下压力不均对样品的不利影响；通过对介质计量输出的控制，提高了加载步长的精确度，提高了加载实验的精确度和成功率。对样品腔实施可控加载，大大提高了实验的效率。
使用本发明实施例提供的基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置进行实验时，先将金刚石对顶砧4（含样品）置于承载板5上，并通过拧紧预压螺钉3将DAC固定并预压至预设值；打开控制器，控制双向电磁阀8和流量泵9工作，将气/油输入到耐压气囊/耐压油囊中，耐压囊充气/油后膨胀，推动承载板5上升，并将压力传递给DAC对其进行压力加载；压力应变片11感知承载板5的压力，并将测量值反馈给控制器12，控制器12根据压力设定值，对流量泵9的流量进行精确计量控制，可为DAC高压实验提供一种均匀压力下的连续可控加载，且对压力的加载步长进行精确控制。控制器12根据预设定压力值，通过对双向电磁阀8的双向控制实现对DAC的等步长加载、保压操作和卸压操作。
参考图4，连续可控加载装置中DAC压腔内室温下红宝石荧光峰的位置。由图4中的数据计算可知，可控加载过程中，金刚石对顶砧样品腔内压力从0.1GPa增至3.55GPa，加载压力步长约为0.5GPa。实验中压力加载较为均匀，压力的加载步长也较均匀。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置，其特征在于：包括固定组件、加压组件、感压组件和控制组件，加压组件的施力件安装在固定组件内，感压组件的感压件安装在固定组件内并检测施力件施加的压力信息传输给控制组件，控制组件处理后给加压组件发送控制指令，使加压组件对固定组件内样品均匀施压；
所述固定组件，包括固定架（1），固定架（1）内设有工作腔（2），工作腔（2）内安装有金刚石对顶砧（4）和承载板（5）；预压螺钉（3）向下穿过固定架（1）伸入工作腔（2）内并将金刚石对顶砧（4）限定在承载板（5）上；在承载板（5）下方的工作腔内设有感压件和施力件，感压件位于承载板（5）和施力件之间，承载板（5）在施力件的作用下在工作腔（2）内上下移动，且在承载板（5）上设有让位孔；在预压螺钉上设有通光孔Ⅰ，在固定架（1）下部设有与工作腔（2）相通的通光孔Ⅱ，通光孔Ⅰ、金刚石对顶砧（4）、让位孔和通光孔Ⅱ形成光路通道；
所述加压组件，包括耐压囊（7）、双向电磁阀（8）、流量泵（9）和导管（10）；耐压囊（7）安装在工作腔（2）内，并通过穿出固定架（1）的导管（10）与双向电磁阀（8）连通，双向电磁阀（8）通过导管与流量泵（9）连通；双向电磁阀（8）和流量泵（9）均与控制组件连接；
所述感压组件，包括压力应变片（11），压力应变片（11）设置在工作腔（2）内并位于承载板（5）和耐压囊（7）之间，并将检测信号通过信号线传输给控制组件。
2.根据权利要求1所述的基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置，其特征在于：在固定架（1）上部设有螺纹孔，预压螺钉（3）与螺纹孔螺纹连接；且所述预压螺钉的顶部设有限位凹槽，金刚石对顶砧（4）的上部位于限位凹槽内，且在限位凹槽内设有通光孔Ⅰ。
3.根据权利要求1或2所述的基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置，其特征在于：在工作腔（2）的底部设有环形凹槽（6），承载板（5）通过让位孔套设在工作腔（2）底部的凸起上，感压件和施力件均设置在环形凹槽（6）内，通光孔Ⅱ贯通凸起设置。
4.根据权利要求3所述的基于金刚石对顶砧压机的连续可控加载装置，其特征在于：在承载板（5）上端面设有限位卡槽，金刚石对顶砧（4）的下部位于限位卡槽内；在承载板（5）下端设有卡块，防止感压件和施力件偏置，确保承载板直线上下移动，确保施力平衡。
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