CN203227469U - 大腔体多顶砧式超高压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大腔体多顶砧式超高压装置，属于高压物理学领域。能够解决大缸径铰链式六面顶压机工作窗口小、铰链梁破裂几率高等制约铰链式六面顶压机的腔体大型化发展的瓶颈问题，满足多学科对大腔体高压技术的迫切需求。该装置的锥形顶砧的砧面对置，且同轴布置，两两相对；液压加压装置位于锥形顶砧装置轴线中心并固定在组合式或龙门式机架上，且同轴布置在锥形顶砧装置的后端，用于对锥形顶砧进行加压；所述冷却装置由通水环和水箱组成，用于高压装置的散热；所述控制系统用于对锥形顶砧运动轨迹的控制，可以实现从xyz三个方向分别对样品施加压力，使样品腔获得高温高压环境，在高温高压条件下实现新材料的制备及新现象的发现。

Description

大腔体多顶砧式超高压装置

技术领域

本实用新型公开了一种大腔体多顶砧式超高压装置，涉及金刚石和立方氮化硼等超硬材料及其制品高压制备技术，属于高压物理学领域。 

背景技术

高压装置作为研究“高压”对物质的晶体结构、相变、状态方程及物理性质等影响的必备工具，其研究是探索金刚石、立方氮化硼及其制品等新型超硬材料和“常压”下无法制备的新材料的基础。高压装置通过液压加压装置推动顶砧装置，能够实现从xyz三个方向分别对样品施加压力，从而使六面体样品腔获得高压环境；通过在通电垫块上施加低电压及在高压腔体内添加石墨管等加热炉，能够实现低电压大电流加热，从而使样品腔获得高温环境。然而，伴随着材料学、地球物理学及生物学等学科发展，各学科迫切需要大腔体超高压技术；大腔体超高压技术，不仅能够提高超硬材料的单次合成产量，而且能够降低腔体内部的压力与温度梯度值，从而提高样品合成质量。 

通过扩大液压加压装置的液压缸直径与顶砧的砧面面积能够获得大腔体高温高压环境，但是大缸径的液压缸导致传统的铰链式六面顶压机体积越来越大，想要固定实验样品都是一件很难的事情；由于液压缸直径越来越大，铰链梁承受的压力越来越大，导致大腔体铰链式六面顶压机很容易发生铰链梁底部开裂，极大的限制了人们对新材料和新现象的发现。为了解决大缸径铰链式六面顶压机工作窗口小、铰链梁破裂几率高等制约铰链式六面顶压机的腔体大型化发展的瓶颈问题，发明人设计了大腔体多顶砧式超高压装置，此方面工作未见报道。 

针对六面顶大腔体技术存在的顶砧寿命短、极限腔体压力低等瓶颈问题，发明人前期针对六面顶大腔体技术关键部件——大体积碳化钨顶砧开展了多级圆角式高压顶砧（201210002784.2）及六面顶多级增压装置（201210006204.7）等研究工作，为顶砧寿命短、极限腔体压力值低提供了技术方案。 

发明内容

本实用新型的目的在于解决大缸径铰链式六面顶压机工作窗口小、铰链梁破裂几率高等制约铰链式六面顶压机“腔体大型化发展”的瓶颈问题，从而满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学领域对大腔体超高压技术的迫切需求。本实用新型的大腔体多顶砧式 超高压装置通过采用组合式与龙门式机架结构，解决了大缸径铰链式六面顶压机工作窗口小的瓶颈问题；通过优化装置的机械结构，降低了结构加工难度，简单地实现了机械结构的锻压制造，有效地提高了机械结构的强度，解决了铰链梁破裂几率高的瓶颈问题。本实用新型的大腔体多顶砧式超高压装置操作简单，传递效率高，制造成本低，能够提供更合理的工作窗口、更长的铰链梁寿命，以及更高的压强值，从而一定程度上促进高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学的发展。 

为了解决大缸径铰链式六面顶压机工作窗口小、铰链梁破裂几率高等制约铰链式六面顶压机的腔体大型化发展的瓶颈问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下： 

一种大腔体多顶砧式超高压装置，主要由锥形顶砧装置1、液压加压装置2、冷却装置和控制系统及机架组成，所述锥形顶砧装置1为6个，砧面对置，且同轴布置；所述液压加压装置2同轴布置在锥形顶砧装置1的后端，用于对锥形顶砧装置1进行加压；所述冷却装置由通水环和水箱组成，用于压机的散热；所述控制系统通过对高压装置的顶砧运动轨迹的控制使传压介质块内样品获得高压环境；所述锥形顶砧装置1由顶砧、预紧钢环及垫块组成，顶砧为带有方形砧面的倒锥形结构，顶砧与预紧钢环过盈配合，垫块滑配合装入预紧钢环内部并位于顶砧正下方，其材质为碳化钨硬质合金、碳化硅、氮化硼以及金刚石烧结体等超硬材料；锥形顶砧装置1通过螺纹与通电垫块13联接。 

所述液压加压装置2由液压缸、柱筒6、柱塞10、导向套11、法兰12、密封圈9、通电垫块13和液压泵站组成，所述液压缸为活底工作缸，由缸筒7和缸底8组成，二者组合后镶嵌安装于起支撑作用的柱筒6内部；柱塞10通过导向套11对中、法兰12限位后安装于液压缸内部；缸筒7与缸底8及活塞10、导向套11与缸筒7之间分别安装密封圈9密封，柱塞10头部安装通电垫块13。 

所述液压缸缸筒7的缸口设有法兰12，缸底8上部的凸台与柱塞10下部的凹台配合，缸底8配合于活底孔内；所述缸底8为台阶轴，为活底孔配合轴段，所述缸筒7的活底孔面积与活塞孔面积之比为7/10～4/5。 

所述机架为组合式结构，由侧向支撑装置3、上顶座4与下底座5组成，三者通过销轴固定联接；所述侧向支撑装置3由相同厚度的支撑板组成，间隔排列，并通过销轴固定联接。 

所述机架结构为龙门式结构。 

所述的控制系统由工控计算机和控制软件组成，所示控制系统通过位移传感器及电磁换向阀实现液压加压装置的精确控制。 

本实用新型的技术效果： 

本实用新型的大腔体多顶砧式超高压装置，通过采用组合式与龙门式机架结构，解决了 大缸径铰链式六面顶压机工作窗口小的瓶颈问题；通过优化装置的机械结构，降低了结构加工难度，简单地实现了机械结构的锻压制造，替代了传统铸造成形工艺，有效地提高了机械结构的强度，解决了铰链梁破裂几率高的瓶颈问题；通过冷却装置实现压机的散热；通过控制系统对锥形顶砧装置运动轨迹控制使样品获得几十万个大气压。本实用新型的大腔体多顶砧式超高压装置操作简单，传递效率高，制造成本低，能够满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学对高压高温环境下物质体系的研究需求，促进高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学的发展。 

附图说明

图1是大腔体多顶砧式超高压装置结构示意图。 

图2是液压加压装置的剖面示意图。 

图3是锥形顶砧装置的结构示意图，其中： 

图3(a)是倒锥形顶砧的结构三维视图； 

图3(b)是垫块的结构三维视图； 

图3(c)是预紧钢环结构三维视图。 

图4是组合式机架的侧向支撑结构示意图。 

图5是采用龙门式机架的大腔体多顶砧式超高压装置结构示意图。 

其中：1.锥形顶砧装置，2.液压加压装置，3.侧向支撑结构，4.上底座，5.下底座，6.柱筒，7.缸筒，8.缸底，9.密封圈，10.柱塞，11.导向套，12.压兰，13.通电垫块。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例进一部说明本实用新型的具体内容及其实施方式。 

本实用新型的大腔体多顶砧式超高压装置，由锥形顶砧装置1、液压加压装置2、冷却装置、控制系统及机架组成。锥形顶砧装置1为6个，砧面对置，且同轴布置；液压加压装置2同轴布置在锥形顶砧装置1的后端，用于对锥形顶砧装置1进行加压；冷却装置由通水环和水箱组成，用于压机的散热；控制系统通过对高压装置的顶砧运动轨迹的控制，能够使传压介质块内样品获得高压环境。锥形顶砧装置由顶砧、预紧钢环及垫块组成；顶砧为带有方形砧面的倒锥形结构，顶砧与预紧钢环过盈配合，垫块滑配合装入预紧钢环内部并位于顶砧正下方，其材质为碳化钨、碳化硅、氮化硼以及金刚石烧结体等超硬材料；锥形顶砧装置1通过螺纹与通电垫块13联接。液压加压装置由液压缸、柱筒6、柱塞10、导向套11、法兰12、密封圈9、通电垫块13及液压泵站组成；液压缸为活底工作缸，由缸筒7和缸底8组成，二者组合后镶嵌安装于起支撑作用的柱筒6内部；柱塞10通过导向套11对中与压兰12限位后，安装于液压缸内部；为提高液压油密封性，缸筒7与缸底8及活塞10、导向套 11与缸筒7之间分别安装密封圈9，柱塞10头部安装通电垫块13。液压缸的缸筒7的缸口设有法兰12，缸底8上部的凸台与柱塞10下部的凹台配合，缸底8配合于活底孔内；缸底8为台阶轴，为活底孔配合轴段，所述缸筒7的活底孔面积与活塞孔面积之比为7/10～4/5。机架可以为组合式结构，由侧向支撑装置3、上顶座4与下底座5组成，三者通过销轴固定联接；侧向支撑装置由相同厚度的支撑板组成，固定间隔排列，并通过销轴固定联接。当然，机架结构也可以为龙门式结构。控制系统由工控计算机和控制软件组成，通过位移传感器及电磁换向阀实现液压加压装置的精确控制。 

图1是大腔体多顶砧式超高压装置结构示意图，主要由锥形顶砧装置1、液压加压装置2、侧向支撑装置3、上底座4、下底座5、冷却装置、控制系统等组成，其中锥形顶砧装置1由顶砧、预紧钢环及垫块组成；顶砧为带有方形砧面的倒锥形结构，锥形顶砧装置顶砧与预紧钢环过盈配合，垫块滑配合装入预紧钢环内部并位于顶砧正下方，其材质为碳化钨、碳化硅、氮化硼以及金刚石烧结体等超硬材料；锥形顶砧装置通过螺纹与通电垫块13联接。液压加压装置2由液压缸、柱塞10、液压泵站等组成，提供高压装置腔体加压的动力；侧向支撑装置3由相同厚度、固定间隔排列的支撑板组成，通过销轴实现液压加压装置2的支撑与联接；冷却装置由通水环和水箱组成，实现压机的散热；控制系统由工控计算机和控制软件组成，通过位移传感器及电磁换向阀实现液压加压装置的精确控制，从而实现样品腔获得几十万个大气压。 

图2是液压加压装置的剖面示意图，主要由柱筒6、缸筒7、缸底8、密封圈9、柱塞10、导向套11、压兰12及通电垫块13组成。缸底8为一台阶轴，其底部小直径轴段位于柱筒6内腔底部，其上部大直径轴段与缸筒7下部密封装配，缸筒7和缸底8组成的活底工作缸嵌套在柱筒6内腔中。缸筒7的筒口外缘设有台阶并通过法兰12固定在柱筒6上；缸筒7的内孔为台阶孔，分别为筒身段的柱塞孔和筒底部的活底孔，筒底部的活底孔与缸底8的小直径轴段配合。活底工作缸的缸底8上表面为变直径的凸台，柱塞10下表面为变直径的凹台，两者配合接触并构成高压油腔。柱塞10为台阶轴，其下部与缸筒7筒密封配合，上部通过导向套11与缸筒7密封配合和对中限位。液压泵站通过低压和高压油泵为高压装置的液压加压装置提供液压油，在柱塞10与缸底8之间的高压油腔中，①号箭头表示作用于柱塞10上的压力，②号箭头表示作用于缸筒7台阶孔端面上的压力，③号箭头表示作用于缸底8上的压力，其中作用于缸筒7上的压力通过缸筒7的法兰12传递到到柱筒6上，作用于缸底8上的压力直接传递到柱筒6的底部。为使缸底可以承担更大的压力，不至于损坏，可以增加活底缸底8上部的变直径的凸台高度，即增加活底工作缸的缸底厚度。 

图3是锥形顶砧装置的结构示意图，其中：图3(a)是倒锥形顶砧的结构三维视图；图3(b)是垫块的结构三维视图；图3(c)是预紧钢环结构三维视图。锥形顶砧装置1个数为6个，砧 面对置，且同轴布置，其顶部为带有方形砧面的倒锥形结构，底部为圆柱体；所述冷却装置位于外围预紧钢环外表面，安装有单通道或多通道的冷却水通道，通过控制冷却水流量实现压机散热速率的调整。六个锥形顶砧两两对称，形成六面体样品腔体。为提高顶砧升降压速度，可以在顶砧的小砧面附近增加0-45°的多级小斜面。 

图4是组合式机架的侧向支撑结构示意图，由相同厚度的支撑板组成，固定间隔排列，并通过销轴固定联接。侧向支撑装置3、上顶座4与下底座5构成装置组合式机架，其通过销轴实现液压加压装置2的支撑与联接。 

图5是采用龙门式机架的大腔体多顶砧式超高压装置结构示意图。通过龙门式机架能够实现装置工作窗口的增大，提高工作效率。 

下面举例说明大腔体多顶砧式超高压装置的工作过程： 

首先，依据确立的高压腔体组装方式，选择高压装置的锥形顶砧尺寸，并安装到大腔体多顶砧式超高压装置的通电垫块上。之后，通过高压装置的控制系统，驱动液压加压装置，实现顶砧对六面体高压腔体的加压与电加热、保压与保温以及泄压与降温操作。最后，取出高温高压环境下合成与制备的样品，进行后期处理及材料性能表征。本实用新型通过采用组合式与龙门式机架结构，解决了大缸径铰链式六面顶压机工作窗口小的瓶颈问题；通过优化装置的机械结构，降低了结构加工难度，简单地实现了机械结构的锻压制造，有效地提高了机械结构的强度，解决了铰链梁破裂几率高的瓶颈问题。本实用新型的大腔体多顶砧式超高压装置操作简单，传递效率高，制造成本低，能够满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学对高压高温环境下物质体系的研究需求，促进高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学的发展。 

Claims (6)

1.一种大腔体多顶砧式超高压装置，主要由锥形顶砧装置（1）、液压加压装置（2）、冷却装置和控制系统及机架组成，其特征在于：

所述锥形顶砧装置（1）为6个，砧面对置，且同轴布置；所述液压加压装置（2）同轴布置在锥形顶砧装置（1）的后端，用于对锥形顶砧装置（1）进行加压；所述冷却装置由通水环和水箱组成，用于压机的散热；所述控制系统通过对高压装置的顶砧运动轨迹的控制使传压介质块内样品获得高压环境；所述锥形顶砧装置（1）由顶砧、预紧钢环及垫块组成，顶砧为带有方形砧面的倒锥形结构，顶砧与预紧钢环过盈配合，垫块滑配合装入预紧钢环内部并位于顶砧正下方，锥形顶砧装置（1）通过螺纹与通电垫块（13）联接。

2.根据权利要求1所述的一种大腔体多顶砧式超高压装置，其特征在于：

所述液压加压装置（2）由液压缸、柱筒（6）、柱塞（10）、导向套（11）、法兰（12）、密封圈（9）、通电垫块（13）和液压泵站组成，所述液压缸为活底工作缸，由缸筒（7）和缸底（8）组成，二者组合后镶嵌安装于起支撑作用的柱筒（6）内部；柱塞（10）通过导向套（11）对中、法兰（12）限位后安装于液压缸内部；缸筒（7）与缸底（8）及活塞（10）、导向套（11）与缸筒（7）之间分别安装密封圈（9）密封，柱塞（10）头部安装通电垫块（13）。

3.根据权利要求2所述的一种大腔体多顶砧式超高压装置，其特征在于：

所述液压缸缸筒（7）的缸口设有法兰（12），缸底（8）上部的凸台与柱塞（10）下部的凹台配合，缸底（8）配合于活底孔内；所述缸底（8）为台阶轴，为活底孔配合轴段。

4.根据权利要求1或2所述的一种大腔体多顶砧式超高压装置，其特征在于：

所述机架为组合式结构，由侧向支撑装置（3）、上顶座（4）与下底座（5）组成，三者通过销轴固定联接；所述侧向支撑装置（3）由相同厚度的支撑板组成，间隔排列，并通过销轴固定联接。

5.根据权利要求1或2所述的一种大腔体多顶砧式超高压装置，其特征在于：

所述机架结构为龙门式结构。

6.根据权利要求1或2所述的一种大腔体多顶砧式超高压装置，其特征在于：

所述的控制系统由工控计算机和控制软件组成，所示控制系统通过位移传感器及电磁换向阀实现液压加压装置的精确控制。

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