CN113390838B - 基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置及方法，包括固定架、压电陶瓷、增程杠杆、DAC支撑板、静态加载螺钉；增程杠杆通过楔形支点固定在固定架下底面的楔形凹槽内；DAC放置于DAC支撑架的凹槽内；静态加载螺钉通过固定架上底面中心螺孔固定，并通过调节旋入螺纹长度用于固定和压紧DAC。该装置可对市面上的所有DAC适用，采用杠杆原理，采用逆向、增程式输出方式，增加了动态加载位移和压力幅度，减小了动态、静态加载装置的体积，适配各种原位检测设备；该装置通过调节压电陶瓷伸缩的长短，可实现不同加压条件下加载和卸载，调节压电陶瓷伸缩的快慢，可实现动态或静态加载途径，简化实验操作过程，提高了装置利用率。

Description

基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置及方法

技术领域

本发明属于高压装置技术领域，特别涉及基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置及方法。

背景技术

动态加载是高压科学技术领域一种新兴的技术手段，由于其加载速率介于传统的动高压和静高压之间，其物理过程不同于静高压的等温过程，也不同于动高压的绝热过程，而是一种非等温和非绝热的特殊物理过程。物质在适当的动态加载速率过程中将脱离常规的化学平衡态，实现物质结构的构筑和重组而形成一些亚稳相结构。因此，为了更好的研究这一特殊物理过程对物质亚稳相形成及其动态结构演化的影响，研制一套具有快速加载的压力装置是十分必要的。

2007年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室在首次将压电陶瓷用于传统钻石对顶砧（diamond anvil cell, DAC），设计出了能够实现快速响应的动态钻石对顶砧技术（dynamic diamond cell, d-DAC）,该装置的最高加载速率为500GPa/s。该技术填补了静高压和动高压在加载速率方面的空白。然而，作为快速加载装置的一个雏形，该设备采用了压电陶瓷内嵌式的特殊设计，减小了传统钻石对顶砧的腔体空间，导致调配和填样困难，实验难度大，装置利用率等技术困难。

专利号为201710331410.8的中国发明专利公开了一种用于钻石对顶砧的双向动态加载/卸载的装置和方法，对d-DAC装置进行了改进，将嵌入式的压电陶瓷对称置于DAC外围，并采用更大的压电陶瓷有效的保证了压力的加载幅度；该装置简化了转装过程，降低了实验难度，提高了装置的利用率。但是，由于该装置仍采用对压电陶瓷预高压的设计思想，要求每次实验均需对多根压电陶瓷的位置进行调整，增加了实验的难度，实验的操作性差、装置的利用率不高。

专利号为201810019508.4的中国发明专利公开了一种用于钻石对顶砧的双向动态加载/卸载装置，该装置采用压电陶瓷正向加载的方式实现对传统钻石对顶砧的快速增压或卸载；该装置可与多种DAC联用，提高了适用性和利用率。但是，由于该装置采用正向加载的方式，压电陶瓷的尺寸导致了装置的体积过大，大大超出了普通光谱设备的工作距离，多需要另外搭载光路才能与装置适配，增加了实际利用的难度，适用性差。此外，压力加载幅值严重依赖压电陶瓷的位移限度，设备的精度不够。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，对传统DAC进行增程式加载，提高高压实验水平；且装置可与对称式DAC、导向柱式DAC等多种加压设备联用，兼容性强；采用逆向加载方式，具有更小的体积，符合普通光谱检测设备的工作距离；采用杠杆式原理对压电陶瓷的行程进行放大，大大提高了装置的压力加载范围。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，包括固定架、压电陶瓷、DAC以及DAC支撑架，所述固定架包括固定架上底面、固定架下底面以及连接二者的固定架连接部，且固定架上底面与固定架下底面平行，所述固定架上底面还贯穿设有用于安装静态加载螺钉的第一安装孔以及用于安装压电陶瓷的第二安装孔，且第一安装孔位于固定架上底面的中心部，而第二安装孔相应对称分布于固定架上底面的外周；

所述固定架的下底面开设有呈中心对称分布的支撑凹槽；

所述固定架上底面与固定架下底面之间还对应设有增程杠杆，且增程杠杆的支点与支撑凹槽配合设置，同时增程杠杆的左端部与压电陶瓷的球状触点正压接触，而增程杠杆的右端部与DAC支撑架的下表面正压连接；

所述DAC支撑架置于固定架内部并与固定架上底面及固定架下底面平行，且DAC支撑架的上表面还设有用于装载DAC的安装凹槽。

所述增程杠杆包括杠杆臂和支点，且杠杆臂的两端设有与压电陶瓷以及DAC支撑架的接触点，且沿着压电陶瓷接触端分布着等间距的贯穿孔，支点可拆卸安装于贯穿孔中并将杠杆臂分成长臂端和短臂端。

所述增程杠杆的支点为与增程杠杆可拆卸连接的楔形，且支点位置连续可调；所述固定架下底面上的支撑凹槽与增程杠杆的支点适配的楔形结构。

所述增程杠杆的支点高度不小于固定架下底面上的支撑凹槽的深度，且支点角度不大于支撑凹槽的角度。

所述压电陶瓷设为圆柱状且其下端设有半球状触点，而其外壁设有与第二安装孔适配的螺纹。

所述增程杠杆设为长条板状，且杠杆比例可调。

所述固定架的下底面和DAC支撑架上均设有通光孔。

基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置的装配方法,包括以下步骤:

(1)、将增程杠杆按照支点位置置于固定架下底面的支撑凹槽内，并使增程杠杆的长臂端指向固定架下底面的中心；

(2)、将压电陶瓷分别旋入固定架上底面的第二安装孔中，且压电陶瓷的贯穿深度保持一致，压电陶瓷的半球状触头正压于增压杠杆的短臂端，且两部分相对松弛，接触压力较小或无压力；

（3）、将增程杠杆的长臂端对称固定在DAC支撑架的下表面；

（4）、将装好样品的对称型或导轨型DAC放入DAC支撑架的支撑凹槽内；

（5）、将静态加载螺钉安装在固定架上底面的第二安装孔中，并与DAC的上底面接触，此时DAC、DAC支撑架、增程杠杆相互作用，引起增程杠杆的短臂端与压电陶瓷球形触头正压固定；

(6)、通过调节静态加载螺钉旋转的角度设置实验初始压力值；

(7)、将压电陶瓷控制器接入压电陶瓷，函数信号发生器接入压电陶瓷控制器，设定实验加载条件。

基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其加载过程包括以下步骤:

(1)、通过调节静态加载螺钉，设置动态加载的初始压力值；

(2)、通过函数信号发生器设置拟加载曲线函数；

(3)、压电陶瓷功率放大器按照加载曲线函数驱动压电陶瓷伸长；

(4)、压电陶瓷的伸长挤压增程杠杆的短臂端向下移动，长臂端向上移动；

(5)、DAC支撑架在增程杠杆长臂端作用下挤压DAC，实现对DAC进行加载，加载过程完成。

基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其卸载过程包括以下步骤:

(1)、通过调节静态加载螺钉，设置动态加载的初始压力值；

(2)、通过函数信号发生器设置加载曲线函数；

(3)、压电陶瓷功率放大器按照加载曲线函数驱动压电陶瓷伸长，将DAC加载至卸载初始值；

(4)、通过函数信号发生器设定卸载曲线函数；

(5)、压电陶瓷功率放大器按照卸载曲线函数控制压电陶瓷缩短；

(6)、压电陶瓷的缩短降低了对增程杠杆短臂端的作用；

(7)、DAC受到增程杠杆的作用力减小，DAC腔体内压力降低，实现对DAC的动态卸载，卸载过程完成。

本发明的有益效果是：

（1）该基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，通过杠杆原理，实现逆向加压，克服了正向加压方式占用操作空间大的缺点，大大减小了装置的轴向尺寸，可在不改造测试光路的条件下直接与各类光谱检测设备联用，大大降低了高压实验的条件；

（2）所述装置设有可调比例的力臂，将受力端的位移按不同比例放大，克服已有发明中单靠压电陶瓷伸长进行施力时位移小的缺点，可轻松实现不同加载要求的实验过程和效果，为高压实验提供了更大的、安全可控的压力条件；

（3）由于采用了增程杠杆式加载原理，提供了足够的加载位移，可以实现静态阶段加压和快速动态加载，拓宽了高压下材料研究的范围和途径；

（4）本发明的用于钻石对顶砧的增程式动态、静态加载装置几乎与市面上所用通用型DAC适配，使用范围和领域广；所述装置设计合理，操作简单，可靠性强，可以实现可控的动态和静态加载条件，能够大大提高实验的成功率和设备的使用率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是增程杠杆的侧视图；

图3是增程杠杆的主视图

图4是本发明的加载控制系统组成示意框图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

本发明提供了基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，如图1至图4所示。

该基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，包括固定架2、压电陶瓷3、DAC7以及DAC支撑架5，所述固定架2包括固定架上底面21、固定架下底面22以及连接二者的固定架连接部，且固定架上底面21与固定架下底面22平行，所述固定架上底面21还贯穿设有用于安装静态加载螺钉6的第一安装孔以及用于安装压电陶瓷3的第二安装孔，且第一安装孔位于固定架上底面21的中心部，而第二安装孔相应对称分布于固定架上底面的外周；

所述固定架下底面22上开设有呈中心对称分布的支撑凹槽；

所述固定架上底面21与固定架下底面22之间还对应设有增程杠杆4，且增程杠杆4的支点与支撑凹槽配合设置，同时增程杠杆的左端部与压电陶瓷的球状触点正压接触，而增程杠杆的右端部与DAC支撑架的下表面正压连接；

所述DAC支撑架置于固定架内部并与固定架上底面及固定架下底面平行，且DAC支撑架的上表面还设有用于装载DAC的安装凹槽。

所述增程杠杆4包括杠杆臂41和支点42，且杠杆臂41的两端设有与压电陶瓷3以及DAC支撑架5的接触点43，且沿着压电陶瓷3接触端分布着等间距的贯穿孔44，支点42可拆卸安装于贯穿孔44中并将杠杆臂41分成长臂端和短臂端。通过支点42在不同贯穿孔44位置安装，调节力臂比的转换，实现不同量程的增程效果。实施过程中，支点42至增程杠杆与压电陶瓷的球状触点正压接触侧为短臂端，支点至增程杠杆与DAC支撑架的下表面正压侧为长臂端；压电陶瓷在压电陶瓷提供驱动电压驱动下伸长，对增程杠杆的短臂端施力，推动短臂端运动，同时带动长臂端对承载板施加推力，通过力的传递作用到DAC样品腔的样品。

所述增程杠杆的支点为与增程杠杆可拆卸连接的楔形，且支点位置连续可调；所述固定架下底面上的支撑凹槽与增程杠杆的支点适配的楔形结构。所述增程杠杆的支点高度不小于固定架下底面上的支撑凹槽的深度，且支点角度不大于支撑凹槽的角度。

所述静态加载螺钉6通过固定架上底面21的第一安装孔固定；静态加载螺钉6下表面凹槽与DAC7上表面正压接触；通过调节静态加载螺钉6可以对DAC7固定和锁紧。

本发明的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置的动态、静态加载装置1优选包括3-6个压电陶瓷3，更优选为4个，该数量的压电陶瓷3可以达到稳定的加压和卸载效果。对应的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置的动态、静态加载装置1优选包含3-6个增程杠杆4，更优选为4个；增程杠杆4支点两端杠杆的形状可为长方体、圆弧状、阶梯状等，能够起到增程加压的作用皆可，更优选的选用短臂端为长方体状，长臂短为阶梯状；增程杠杆的支点可为楔形式、轴承式，铰链式、半球式，优选的，本实施例中选用楔形式支点；所述位于固定架下底面上表面的安装凹槽与所述增程杠杆的支点适配，优选楔形凹槽。

本实施例中，所述固定架上底面设有四个呈中心对称的第二安装孔；所述压电陶瓷设为圆柱状且其下端设有半球状触点，而其外壁设有与第二安装孔适配的螺纹。

所述增程杠杆设为长条板状，且杠杆比例可调。

所述固定架的下底面和DAC支撑架以及静态加载螺钉6中心均设有通光孔。

基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置的装配方法，包括以下步骤：

(1)、将增程杠杆按照支点位置置于固定架下底面的支撑凹槽内，并使增程杠杆的长臂端指向固定架下底面的中心；

(2)、将压电陶瓷分别旋入固定架上底面的第二安装孔中，且压电陶瓷的贯穿深度保持一致，压电陶瓷的半球状触头正压于增压杠杆的短臂端，且两部分相对松弛，接触压力较小或无压力；

（3）、将增程杠杆的长臂端对称固定在DAC支撑架的下表面；

（4）、将装好样品的对称型或导轨型DAC放入DAC支撑架的支撑凹槽内；

（5）、将静态加载螺钉安装在固定架上底面的第二安装孔中，并与DAC的上底面接触，此时DAC、DAC支撑架、增程杠杆相互作用，引起增程杠杆的短臂端与压电陶瓷球形触头正压固定；

(6)、通过调节静态加载螺钉旋转的角度设置实验初始压力值；

(7)、将压电陶瓷控制器接入压电陶瓷，函数信号发生器接入压电陶瓷控制器，设定实验加载条件。

本发明还公开了一种压力测量系统，所述压力测量系统用于材料的拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱等测试时的实时压力测量，如图3所示，其中示出了压力测量系统的结构框图。

所述压力测量系统包括函数信号发生器、压电陶瓷功率放大器、光栅控制器、激光光源、光谱仪及探测器；函数信号发生器与压电陶瓷功率放大器、光栅控制器连接；电陶瓷功率放大器与基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置的压电陶瓷连接；激光光源照射DAC样品腔内的红宝石，探测器通过获取红宝石荧光的变化来标定样品的压力；光栅控制器与函数信号发生器和光谱仪及探测器连接。压力加载过程中，函数信号发生器通过波函数信号控制压电陶瓷功率放大器、光栅控制器，压电陶瓷功率放大器驱动压电陶瓷的伸长或缩短；光栅控制器收到信号后控制光谱与及探测器工作，采集数据。

本发明基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其加载过程包括以下步骤：

(1)、通过调节静态加载螺钉，设置动态加载的初始压力值；

(2)、通过函数信号发生器设置拟加载曲线函数；其中，设置较短的加载时间，可实现快速加载，设置较长的加载时间，可实现较慢的阶段加载；

(3)、压电陶瓷功率放大器按照加载曲线函数驱动压电陶瓷伸长；

(4)、压电陶瓷的伸长挤压增程杠杆的短臂端向下移动，长臂端向上移动；

(5)、DAC支撑架在增程杠杆长臂端作用下挤压DAC，实现对DAC进行加载，加载过程完成。

本发明基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其卸载过程包括以下步骤：

(1)、通过调节静态加载螺钉，设置动态加载的初始压力值；

(2)、通过函数信号发生器设置加载曲线函数；

(3)、压电陶瓷功率放大器按照加载曲线函数驱动压电陶瓷伸长，将DAC加载至卸载初始值；

(4)、通过函数信号发生器设定卸载曲线函数；

(5)、压电陶瓷功率放大器按照卸载曲线函数控制压电陶瓷缩短；

(6)、压电陶瓷的缩短降低了对增程杠杆短臂端的作用；

(7)、DAC受到增程杠杆的作用力减小，DAC腔体内压力降低，实现对DAC的动态卸载，卸载过程完成。

本发明的动态、静态加载装置的动态加载/卸载过程，均可通过函数信号发生器设置不同的加载/卸载曲线函数来实现不同速率的加载过程；本领域技术人员可以理解，如需要比较快的动态加载过程，则可以设置较大斜率的加载/卸载曲线；如需要较慢的准静态加载过程，则可以设置较小斜率或者多段阶梯加载/卸载曲线。

本专利中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，上述词语并没有特殊的含义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims (10)

1.基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，包括固定架、压电陶瓷、DAC以及DAC支撑架，所述固定架包括固定架上底面、固定架下底面以及连接二者的固定架连接部，且固定架上底面与固定架下底面平行，其特征在于：所述固定架上底面还贯穿设有用于安装静态加载螺钉的第一安装孔以及用于安装压电陶瓷的第二安装孔，且第一安装孔位于固定架上底面的中心部，而第二安装孔相应对称分布于固定架上底面的外周；

所述固定架的下底面开设有呈中心对称分布的支撑凹槽；

所述固定架上底面与固定架下底面之间还对应设有增程杠杆，且增程杠杆的支点与支撑凹槽配合设置，同时增程杠杆的左端部与压电陶瓷的球状触点正压接触，而增程杠杆的右端部与DAC支撑架的下表面正压连接；

所述DAC支撑架置于固定架内部并与固定架上底面及固定架下底面平行，且DAC支撑架的上表面还设有用于装载DAC的安装凹槽。

2.根据权利要求1所述的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其特征在于：所述增程杠杆包括杠杆臂和支点，且杠杆臂的两端设有与压电陶瓷以及DAC支撑架的接触点，且沿着压电陶瓷接触端分布着等间距的贯穿孔，支点可拆卸安装于贯穿孔中并将杠杆臂分成长臂端和短臂端。

3.根据权利要求2所述的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其特征在于：所述增程杠杆的支点为与增程杠杆可拆卸连接的楔形，且支点位置连续可调；所述固定架下底面上的支撑凹槽与增程杠杆的支点适配的楔形结构。

4.根据权利要求2所述的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其特征在于：所述增程杠杆的支点高度不小于固定架下底面上的支撑凹槽的深度，且支点角度不大于支撑凹槽的角度。

5.根据权利要求1所述的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其特征在于：所述压电陶瓷设为圆柱状且其下端设有半球状触点，而其外壁设有与第二安装孔适配的螺纹。

6.根据权利要求1所述的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其特征在于：所述增程杠杆设为长条板状，且杠杆比例可调。

7.根据权利要求1所述的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其特征在于：所述固定架的下底面和DAC支撑架上均设有通光孔。

8.根据权利要求1至7任一项所述的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其装配方法包括以下步骤：

(1)、将增程杠杆按照支点位置置于固定架下底面的支撑凹槽内，并使增程杠杆的长臂端指向固定架下底面的中心；

(2)、将压电陶瓷分别旋入固定架上底面的第二安装孔中，且压电陶瓷的贯穿深度保持一致，压电陶瓷的半球状触头正压于增压杠杆的短臂端，且两部分相对松弛，接触压力较小或无压力；

（3）、将增程杠杆的长臂端对称固定在DAC支撑架的下表面；

（4）、将装好样品的对称型或导轨型DAC放入DAC支撑架的支撑凹槽内；

（5）、将静态加载螺钉安装在固定架上底面的第一安装孔中，并与DAC的上底面接触，此时DAC、DAC支撑架、增程杠杆相互作用，引起增程杠杆的短臂端与压电陶瓷球形触头正压固定；

(6)、通过调节静态加载螺钉旋转的角度设置实验初始压力值；

(7)、将压电陶瓷控制器接入压电陶瓷，函数信号发生器接入压电陶瓷控制器，设定实验加载条件。

9.根据权利要求1至7任一项所述的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其加载过程包括以下步骤：

(1)、通过调节静态加载螺钉，设置动态加载的初始压力值；

(2)、通过函数信号发生器设置拟加载曲线函数；

(3)、压电陶瓷功率放大器按照加载曲线函数驱动压电陶瓷伸长；

(4)、压电陶瓷的伸长挤压增程杠杆的短臂端向下移动，长臂端向上移动；

(5)、DAC支撑架在增程杠杆长臂端作用下挤压DAC，实现对DAC进行加载，加载过程完成。

10.根据权利要求1至7任一项所述的基于钻石对顶砧的逆向增程式动态、静态加载装置，其卸载过程包括以下步骤：

(1)、通过调节静态加载螺钉，设置动态加载的初始压力值；

(2)、通过函数信号发生器设置加载曲线函数；

(3)、压电陶瓷功率放大器按照加载曲线函数驱动压电陶瓷伸长，将DAC加载至卸载初始值；

(4)、通过函数信号发生器设定卸载曲线函数；

(5)、压电陶瓷功率放大器按照卸载曲线函数控制压电陶瓷缩短；

(6)、压电陶瓷的缩短降低了对增程杠杆短臂端的作用；

(7)、DAC受到增程杠杆的作用力减小，DAC腔体内压力降低，实现对DAC的动态卸载，卸载过程完成。

Images