CN113686683B - 一种金刚石压腔动态加载装置及装配、加载和卸载方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种金刚石压腔动态加载装置及装配、加载和卸载方法，其中所述金刚石压腔具有活塞部及圆筒部，所述圆筒部具有外螺纹；所述金刚石压腔动态加载装置包括：圆柱形压电陶瓷；相对靠近所述活塞部侧设有装载体，包括具有用于放置所述压电陶瓷的中空腔体的套筒部和连接于所述套筒部一端的压紧部，所述压紧部用于限制所述压电陶瓷向远离所述圆筒部的方向移动；所述套筒部的另一端与所述圆筒部螺纹连接；所述压电陶瓷与所述金刚石压腔同轴放置；信号发送装置，用于通过导电组件给所述压电陶瓷发送驱动信号，使得所述压电陶瓷沿所述金刚石压腔的轴线方向伸缩。
Description
技术领域
本申请涉及高压试验装置技术领域，尤其涉及一种一种金刚石压腔动态加载装置及装配、加载和卸载方法。
背景技术
金刚石压腔内设有金刚石对顶砧，金刚石对顶砧装置在对微小样品施加超高压强方面，具有得天独厚的优势，是一项非常强大的实验手段。美国利弗莫尔（LLNL）实验室设计了一种可以实验室使用的动态加载金刚石压腔（dDAC）。该装置采用3枚压电陶瓷对金刚石压腔进行反向压缩，据报道最大加载速度为500GPa/s，成功的在静水压金刚石压腔实现了应变率1000以上的动态加载。国内中国科学院高能物理研究所也发展了类似的动态加载设备，采用3枚压电陶瓷进行驱动，外形结构进行了单独设计，可以匹配标准的对称型金刚石压腔，方便了样品更换，提高了实验效率。
以上两种压电陶瓷驱动的动态加载装置，由于都采用了3枚压电陶瓷驱动器，操作过程需要3台压电控制器操作，无法保证3台控制器同时作用于压电陶瓷，会出现时间延迟，导致作用于金刚石上的力发生偏移，进而存在损坏金刚石的风险。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种金刚石压腔动态加载装置及装配、加载和卸载方法。
第一方面，本申请提供一种金刚石压腔动态加载装置，包括：
圆柱形压电陶瓷；
相对靠近所述活塞侧设有装载体，包括具有用于放置所述压电陶瓷的中空腔体的套筒部和连接于所述套筒部一端的压紧部，所述压紧部用于限制所述压电陶瓷向远离所述圆筒部的方向移动；所述套筒部的另一端与所述圆筒部螺纹连接；所述压电陶瓷与所述金刚石压腔同轴放置；
信号发生装置，用于通过导电组件给所述压电陶瓷发送驱动信号，使得所述压电陶瓷沿所述金刚石压腔的轴线方向伸缩。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述套筒部为阶梯圆柱筒结构，靠近所述压紧部的小外径部具有外螺纹，所述压紧部设有可容纳所述小外径部的凹槽，所述凹槽具有内螺纹，可与所述小外径部螺纹连接。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述套筒部内相对靠近所述圆筒部侧设有绝缘垫片。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述导电组件包括所述套筒部侧壁开设有通孔，通过所述通孔穿入导线向所述压电陶瓷提供驱动信号。
第二方面，本申请提出一种包括以上所述的金刚石压腔动态加载装置，装配步骤如下：
将所述压电陶瓷沿所述金刚石压腔轴向放置于所述套筒部内，所述导线通过所述套筒部的通孔引出；
将所述压紧部与所述小半径部螺纹连接，并旋紧所述压紧部，使其与所述压电陶瓷紧密接触；
将所述绝缘垫片放置于所述套筒部内；
将所述套筒部与所述金刚石压腔的所述圆筒部螺纹连接，并旋紧所述圆筒部，使所述金刚石压腔、所述绝缘垫片及所述压电陶瓷紧密接触，装配完成，形成一个柱状同轴装配体。
第三方面，本申请提出一种包括以上所述的金刚石压腔动态加载装置，快速加载步骤如下：
所述导线与所述信号发送装置连接；所述信号发送装置连接有功率发送器；
设置快速加载的初始压力值；
调节所述压电陶瓷的所述功率放大器，使其处于电压最大值；
通过所述信号发送装置向所述压电陶瓷发送驱动信号；
所述压电陶瓷接收到驱动信号，快速伸长，瞬间产生的压力施加到所述金刚石压腔的所述活塞部，所述活塞部向所述圆筒部移动，在样品端产生快速动态加载力。
第四方面，本申请提出一种包括以上所述的金刚石压腔动态加载装置，快速卸载步骤如下：
调节所述压电陶瓷的所述功率放大器，使其处于电压最小值；
通过所述信号发送装置向所述压电陶瓷发送驱动信号；
所述压电陶瓷接收到信号后，快速回缩，瞬间撤除施加到所述金刚石压腔的所述活塞部的压力，从而使样品端动态加载力快速消失，实现压力卸载；
所述压电陶瓷恢复到初始状态，完成卸载。
综上所述，本申请提出了一种金刚石压腔动态加载装置，通过设置装载体，装载体包括与金刚石压腔的圆筒部螺纹连接的套筒部以及与套筒部另一端螺纹连接的压紧部，套筒部内设有放置压电陶瓷的中空腔体，工作时，压电陶瓷与金刚石压腔同轴放置，信号发生装置通过导电组件给压电陶瓷发送驱动信号，由于压紧部限制压电陶瓷动作，故压电陶瓷接收到信号后沿轴线方向向金刚石压腔方向快速伸长，瞬间产生压力作用于金刚石压腔的活塞端，实现了对金刚石压腔的快速同轴加载力，实现了金刚石压腔内的样品物质形态的改变，与现有技术相比，同轴快速加载装置可防止加载时间长，过程中产生其它物质形态的杂质；另一方面同轴的加载力，防止了作用于金刚石压腔的多个作用力不均匀导致的金刚石偏移致损坏的情况；另外，仅采用一个压电陶瓷，安装方便，且节约了成本。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种金刚石压腔动态加载装置的的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种金刚石压腔动态加载装置的结构剖面图
图3为本申请实施例提供的一种金刚石压腔动态加载装置分离结构示意图。
图中所述文字标注表示为：
1、套筒部；2、压电陶瓷；3、压紧部；4、绝缘垫片；5、活塞部；6、圆筒部；71、第一垫片；72、调平螺丝；73、样品支架；74、基米顶丝；75、金刚石对顶砧；76、第二垫片；8、导线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
诚如背景技术中提到的，针对现有技术中的问题，本申请提出了一种金刚石压腔动态加载装置，如图1所示，包括：圆柱形压电陶瓷2，相对靠近所述活塞部5侧设有装载体，包括具有用于放置所述压电陶瓷2的中空腔体的套筒部1和连接于所述套筒部1一端的压紧部3，所述压紧部3用于限制所述压电陶瓷2向远离所述圆筒部6的方向移动；所述套筒部1的另一端与所述圆筒部6螺纹连接；所述压电陶瓷2与所述金刚石压腔同轴放置；信号发送装置，用于通过导电组件给所述压电陶瓷2发送驱动信号，使得所述压电陶瓷2沿所述金刚石压腔的轴线方向伸缩。
其中所述装载体为本装置的核心部件，优选地，筒体采用高强度结构钢材制造，采用440C或V350马氏体高强钢制造。所述压电陶瓷2选取德国Piezosystem Jena Inc.公司的HPst 1000/35-25/80型压电驱动陶瓷，电容量1300nF，最大输出力为20KN，最大承载力为35KN，在0~1000V电压范围内，最大位移输出为80um。
工作时，所述压电陶瓷2与金刚石压腔同轴放置，所述信号发送装置通过所述导电组件给所述压电陶瓷2发送驱动信号，由于所述压紧部3限制所述压电陶瓷2动作，故所述压电陶瓷2接收到信号后沿轴线方向向金刚石压腔方向快速伸长，瞬间产生压力作用于所述金刚石压腔的所述活塞端5，实现了对金刚石压腔的快速同轴加载力，实现了金刚石压腔内的样品物质形态的改变，与现有技术相比，同轴快速加载装置可防止加载时间长，过程中产生其它物质形态的杂质；另一方面同轴的加载力，防止了作用于金刚石压腔的多个作用力不均匀导致的金刚石偏移致损坏的情况；另外，仅采用一个所述压电陶瓷2，安装方便，且节约了成本。
如图1和图2所示，所所述套筒部1为阶梯圆柱筒结构，靠近所述压紧部3的小外径部具有外螺纹，所述压紧部3设有可容纳所述小外径部的凹槽，所述凹槽具有内螺纹，可与所述小外径部螺纹连接。优选地，所述压紧部3为圆形螺帽状，顶部圆周分布有标准螺孔，用于与其它设备连接，提高所述动态加载装置的适应性；内部设有圆柱形凹槽，所述凹槽用于与所述套筒部1连接后，容纳所述小外径部。所述套筒部1为本装置的核心部件，筒体采用高强度结构钢材制造，为阶梯圆柱筒结构，所述小外径部5具有外螺纹，用于与所述压紧部3螺纹连接，靠近所述圆筒部6的大外径部分为外径较小的第一大外径部与外径最大的第二大外径部，所述小外径部与所述第一大外径部的内壁向轴线处延伸，形成内径与所述压电陶瓷2外径相近的第一圆筒空间，装载完成后，所述压电陶瓷2的外壁紧贴所述第一圆筒空间的内壁，用于限制所述压电陶瓷2径向移动，保证所述压电陶瓷2与所述装载体始终保持同轴。
所述第二大外径部的内壁向轴线处延伸，形成内径与所述金刚石压腔外径相近的第二圆筒空间，所述第二圆筒空间靠近所述金刚石压腔的端部内壁设有内螺纹，用于与所述圆筒部6螺纹连接，与所述圆筒部6螺纹连接后，所述金刚石压腔外壁紧贴所述第二大外径部的内壁，用于限制所述金刚石压腔径向移动，保证所述金刚石压腔与所述压电陶瓷2始终保持同轴放置。
综上，所述装载体与所述金刚石压腔装载完毕后，所述压电陶瓷2处于所述小外径部及所述第一大外径部，所述金刚石压腔处于所述第二大外径部。可选，所述压电陶瓷2为德国Piezosystem Jena Inc.公司的HPst 1000/35-25/80型压电驱动陶瓷，外径为35mm，内径为25mm，高度72mm，所述压电驱动陶瓷2与所述装载体同轴安装。
优选地，所述套筒部1内相对靠近所述圆筒部6侧设有绝缘垫片4。当所述装载体与所述金刚石压腔装载完成后，所述绝缘垫片4置于所述活塞部5与所述压电陶瓷2之间，所述第二大外径部内，当所述压电陶瓷2向所述金刚石压腔快速伸长时，所述压电陶瓷2首先接触所述绝缘垫片4，通过所述绝缘垫片4作用到所述金刚石压腔的活塞部5，优选地，所述绝缘垫片5为与所述活塞5端面相同的圆形，面积与所述端面相同，使用所述绝缘垫片4，一方面避免长期对所述活塞部5施加作用力导致的所述活塞部5端面磨损的情况，另一方面，通过所述绝缘垫片4使得施加到所述活塞部5的力更加均匀，提高了装置的稳定性。
具体地，如图3所示所述金刚石压腔的装载零件，沿高度方向从所述圆筒部6到所述活塞部5依次包括紧贴所述圆筒部6的第一垫片71，所述第一垫片71外周向设有四颗调平螺丝72，所述调平螺丝72一端连接所述圆筒部6的端盖，另一端上设有用于放置所述金刚石对顶砧的样品支架73，所述金刚石对顶砧之间放置有待处理样品，所述调平螺丝72一方面用于调节所述样品支架73使其保持水平，另一方面可限制所述第一垫片71径向移动，所述金刚石对顶砧外周向设有基米顶丝74，所述基米顶丝74一端接触所述样品支架73，另一端螺纹连接与所述活塞部5的底部，所述金刚石对顶砧与所述活塞5之间设有第二垫片76，所述第二垫片76置于所述基米顶丝74之间，所述基米顶丝74用于限制所述第二垫片76径向移动。
优选地，所述第一垫片71与所述第二垫片76为碳化钨垫片，由于金刚石非常硬，当所述活塞部5快速加载压力后，金刚石的反作用力会将所述活塞部5底部压出压痕，导致无法向金刚石施加压力，而碳化钨的硬度接近金刚石，可以承受所述金刚石的反作用力，故所述活塞部5通过碳化钨垫片将力作用于金刚石。
进一步地，所述金刚石压腔的所述活塞部5为阶梯圆柱结构，包括外径较小的置于所述圆筒部6凹槽内的活动部，以及外径与所述圆筒部6相同的凸台，所述凸台边缘周向设有螺纹孔，所述圆筒部6壁上设有与所述凸台螺纹孔对应的通孔，通过预紧螺栓穿过所述圆筒部6和所述活塞部5，限制所述活塞部5和所述圆筒部6径向移动，防止由于外力造成的金刚石压腔内的金刚石的偏移。所述金刚石压腔内包括对对称放置的金刚石对顶砧，之间放置有待处理样品，若金刚石位置偏移，在高压的作用下会导致金刚石的损坏，导致试验失败。所述圆筒部6内的凹槽放置所述金刚石对顶砧和其它辅助零件，凹槽内的所述装载零件的高度大于所述圆筒部的凹槽的长度，故所述活塞部5的凸台脱离所述圆筒部6，当向所述活塞部5加载作用力后，若所述圆筒部6固定，所述活塞部5会带着所述预紧螺栓向所述圆筒部6移动。
如图2所示，所述导电组件包括所述套筒部1侧壁开设有通孔，通过所述通孔穿入导线8向所述压电陶瓷2提供驱动信号。具体地，所述压电陶瓷2内部有两个电极，将所述导线8连在两个所述电极上，或者用电烙铁将所述导线焊在所述电极上。装载所述压电陶瓷2时，所述导线8穿过通孔与所述装置外的功率放大器连接。为了更好控制所述压电驱动陶瓷2的力与位移输出，信号发生装置选用信号发生器，采用了1台德国Piezosystem Jena Inc.公司的HV-RCV1000-7功率放大器，将信号发生器产生的0~10V波函数转换为0~1000V信号，通过控制放大器产生信号来控制所述压电陶瓷2位移行程。
所述金刚石压腔的装配过程如下：
在所述圆筒部6内的端面连接四颗所述调平螺丝72，并将所述第一垫片71放置于所述调平螺丝72之间；
在所述调平螺丝72上放置所述样品支架73，调整所述调平螺丝72，使得所述样品支架73处于水平；
放置所述金刚石对顶砧于所述样品支架73上；
所述活塞部5的底部连接四颗所述基米顶丝74；
所述基米顶丝74之间放置所述第二垫76片；
通过所述预紧螺栓穿过所述圆筒部6与所述活塞部5螺纹连接；
装配完成。
实施例2
一种包括实施例1所述的金刚石压腔动态加载装置，装配步骤如下：
将所述压电陶瓷2沿所述金刚石压腔轴向放置于所述套筒部1内，所述导线8通过所述套筒部1的通孔引出；
将所述压紧部3与所述小半径部螺纹连接，并旋紧所述压紧部3，使其与所述压电陶瓷2紧密接触；
将所述绝缘垫片4放置于所述套筒部1内；
将所述套筒部1与所述金刚石压腔的所述圆筒部6螺纹连接，并旋紧所述圆筒部6，使所述金刚石压腔、所述绝缘垫片4及所述压电陶瓷2紧密接触，装配完成，形成一个柱状同轴装配体。
实施例3
一种包括实施例1和实施例2所述的金刚石压腔动态加载装置，快速加载步骤如下：
所述导线8与所述信号发生器连接；所述信号发生器连接有功率发送器；
设置快速加载的初始压力值；
调节所述压电陶瓷2的所述功率放大器，使其处于电压最大值；
通过所述信号发生器向所述压电陶瓷2发送驱动信号；
所述压电陶瓷2接收到驱动信号，快速伸长，瞬间产生的压力施加到所述金刚石压腔的所述活塞部5，所述活塞部5向所述圆筒部6移动，在样品端产生快速动态加载力。
实施例4
一种包括实施例1和实施例2及实施例3的所述的金刚石压腔动态加载装置，快速卸载步骤如下：
调节所述压电陶瓷2的所述功率放大器，使其处于电压最小值；
通过所述信号发生器向所述压电陶瓷2发送驱动信号；
所述压电陶瓷2接收到信号后，快速回缩，瞬间撤除施加到所述金刚石压腔的所述活塞部5的压力，从而使样品端动态加载力快速消失，实现压力卸载；
所述压电陶瓷2恢复到初始状态，完成卸载。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。
Claims (4)
1.一种金刚石压腔动态加载装置，所述金刚石压腔具有活塞部(5)及圆筒部(6)，其特征在于：所述圆筒部(6)具有外螺纹；所述加载装置包括：
圆柱形压电陶瓷(2)；
相对靠近所述活塞部(5)侧设有装载体，所述装载体包括具有用于放置所述压电陶瓷(2)的中空腔体的套筒部(1)和连接于所述套筒部(1)一端的压紧部(3)，所述压紧部(3)用于限制所述压电陶瓷(2)向远离所述圆筒部(6)的方向移动；所述套筒部(1)的另一端与所述圆筒部(6)螺纹连接；所述压电陶瓷(2)与所述金刚石压腔同轴放置；
信号发送装置，用于通过导电组件给所述压电陶瓷(2)发送驱动信号，使得所述压电陶瓷(2)沿所述金刚石压腔的轴线方向伸缩；
所述套筒部(1)为阶梯圆柱筒结构，靠近所述压紧部(3)的小外径部具有外螺纹，所述压紧部(3)设有可容纳所述小外径部的凹槽，所述凹槽具有内螺纹，可与所述小外径部螺纹连接；
所述套筒部(1)内相对靠近所述圆筒部(6)侧设有绝缘垫片(4)；
所述导电组件包括所述套筒部(1)侧壁开设有通孔，通过所述通孔穿入导线(8)向所述压电陶瓷(2)提供驱动信号。
2.根据权利要求1所述的金刚石压腔动态加载装置，其特征在于：装配步骤如下：
将所述压电陶瓷(2)沿所述金刚石压腔轴向放置于所述套筒部(1)内，所述导线(8)通过所述套筒部(1)的通孔引出；
将所述压紧部(3)与所述套筒部(1)的一端螺纹连接，并旋紧所述压紧部(3)，使其与所述压电陶瓷(2)紧密接触；
将所述绝缘垫片(4)放置于所述套筒部(1)内；
将所述套筒部(1)与所述金刚石压腔的所述圆筒部(6)螺纹连接，并旋紧所述圆筒部(6)，使所述金刚石压腔、所述绝缘垫片(4)及所述压电陶瓷(2)紧密接触，装配完成，形成一个柱状同轴装配体。
3.根据权利要求1所述的金刚石压腔动态加载装置，其特征在于：快速加载步骤如下：
所述导线(8)与所述信号发送装置连接；所述信号发送装置连接有功率发送器；
设置快速加载的初始压力值；
调节所述压电陶瓷(2)的功率放大器，使其处于电压最大值；
通过所述信号发送装置向所述压电陶瓷(2)发送驱动信号；
所述压电陶瓷(2)接收到驱动信号，快速伸长，瞬间产生的压力施加到所述金刚石压腔的所述活塞部(5)，所述活塞部(5)向所述圆筒部(6)移动，在样品端产生快速动态加载力。
4.根据权利要求1所述的金刚石压腔动态加载装置，其特征在于：快速卸载步骤如下：
调节所述压电陶瓷(2)的功率放大器，使其处于电压最小值；
通过所述信号发送装置向所述压电陶瓷(2)发送驱动信号；
所述压电陶瓷(2)接收到信号后，快速回缩，瞬间撤除施加到所述金刚石压腔的所述活塞部(5)的压力，从而使样品端动态加载力快速消失，实现压力卸载；
所述压电陶瓷(2)恢复到初始状态，完成卸载。
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