CN204710271U - 大腔体分割球式超高压设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大腔体分割球式超高压设备，属于超硬材料合成装备领域。本实用新型能够解决分割球式高压设备“高压腔体体积小、组装复杂、极限腔体压力低”等问题。该设备主要由顶砧、高压罐、护套及机架组成。所述的顶砧由六个四边形砧面或八个三角形砧面的一级顶砧组成，其底面为类球形曲面，位于由添加弹性密封包裹套的上、下半球高压罐内，高压罐位于左、右护套内，构成大腔体分割球式超高压设备。为进一步增加极限腔体压力值，一级顶砧围成的腔体内部可以添加二级顶砧，其数量为六个或八个。大腔体分割球式超高压设备能够获得25-80GPa的腔体压力，其腔体压力较现有分割球式高压设备可以增加5-16倍，其高压腔体的体积可以增加3-5倍。

Description

大腔体分割球式超高压设备

技术领域

本实用新型公开了一种大腔体分割球式超高压设备，涉及金刚石和立方氮化硼等超硬材料及其制品高压合成技术，属于超硬材料合成装备领域。

背景技术

金刚石、立方氮化硼等超硬材料及其制品普遍使用在矿产开采、石油钻探、机械制造、建材等行业领域。目前，我国金刚石产量占世界总产量的80％以上，立方氮化硼(CBN)产量占世界总产量的60％以上，已经是世界第一大超硬材料生产国。然而，在大尺寸宝石级金刚石高压合成方面，英国元素六公司、美国合成、日本住友、韩国日进等国际领先的大型集团公司长期控制着市场份额。这归因于国外公司采用分割球式高压设备，而我国却采用铰链式六面顶压机。我国在分割球式高压设备设计、制造及生产方面长期处于空白。本实用新型要求保护的“大腔体分割球式超高压设备”不仅能够填补我国在分割球式高压设备工作空白，而且能够解决现有分割球式高压设备“高压腔体体积小、组装复杂、极限腔体压力低”等问题，此方面工作未见报道。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有分割球式高压设备“高压腔体体积小、组装复杂、极限腔体压力低”等问题，填补我国在分割球式高压设备设计、制造及生产方面的空白，提升我国大尺寸宝石级金刚石高压合成技术水平。本实用新型要求保护的“大腔体分割球式超高压设备”能够获得25-80GPa的腔体压力，其腔体压力较现有分割球式高压设备可以增加5-16倍，其高压腔体的体积可以增加3-5倍。本实用新型能够满足高压物理学、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。

本实用新型的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：

大腔体分割球式超高压设备，主要由顶砧、高压罐、护套及机架(10)组成。所述的顶砧由多个多边形砧面的一级顶砧组成，其底面为类球形曲面，位于高压罐内部；所述的高压罐由添加弹性密封包裹套(3)的上、下半球高压罐(4、5)组成，上半球高压罐(4)的位置由液压手臂(6)控制，下半球高压罐(5)由螺栓与机架(10)固定，二者位于护套内部；所述的护套由左护套(7)和右护套(8)组成，其轴向位置由螺栓与机架(10)固定，其径向位置由滑轨(9)控制；高压罐与护套通过镶嵌槽(11)配合固定，构成大腔体分割球式超高压设备。

所述一级顶砧个数为六个，其砧面为四边形。

所述的一级顶砧围成的腔体内部添加六个棱台形二级顶砧(12)，其砧面与底面均为四边形。

所述的一级顶砧围成的腔体内部添加八个七面体二级顶砧(13)，其砧面与底面分别为三角形和四边形。

所述的一级顶砧个数为八个，其砧面为三角形、底面为类球形曲面。

所述的一级顶砧围成的腔体内部添加八个五面体二级顶砧(15)，其砧面与底面均为三角形。

为了解决现有分割球式高压设备“高压腔体体积小、组装复杂、极限腔体压力低”等问题，填补我国在分割球式高压设备设计、制造及生产方面的空白，提升我国大尺寸宝石级金刚石高压合成技术水平。本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型的技术效果：

本实用新型要保护的技术方案实施事实表明：通过采用“六个或八个一级顶砧”代替现有分割球高压设备的“八个一级顶砧、六个二级顶砧”后，高压腔体的体积不仅能够较现有分割球式高压设备增加3-5倍，还能够解决现有分割球式高压设备组装复杂的问题。基于本实用新型提出的一级顶砧新结构，通过添加六个或八个二级顶砧，本实用新型要求保护的“大腔体分割球式超高压设备”能够获得25-80GPa的腔体压力，其腔体压力较现有分割球式高压设备增加5-16倍。本实用新型能够实现对六面体或八面体腔体的加压与加温，获得超硬材料高压合成所需的高温高压条件；从而满足高压物理学、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，进一步促进高压物理学、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1a-c是采用六个四边形砧面一级顶砧的大腔体分割球式超高压设备结构示意图，其中：

图1a是四边形砧面一级顶砧的结构三维视图；

图1b是装配后的四边形砧面一级顶砧的结构三维视图；

图1c是一级顶砧装配后的大腔体分割球式超高压设备结构剖视图。

图2a-c是添加六个棱台形二级顶砧的大腔体分割球式超高压设备结构示意图，其中：

图2a是棱台形二级顶砧的结构三维视图；

图2b是装配后的棱台形二级顶砧的结构三维视图；

图2c是一级、二级顶砧装配后的结构剖视图。

图3a-c是添加八个七面体二级顶砧的大腔体分割球式超高压设备结构示意图，其中：

图3a是七面体二级顶砧的结构三维视图；

图3b是装配后的七面体二级顶砧的结构三维视图；

图3c是一级、二级顶砧装配后的结构剖视图。

图4a-c是采用八个三角形砧面一级顶砧的大腔体分割球式超高压设备结构示意图，其中：

图4a是三角形砧面一级顶砧的结构三维视图；

图4b是装配后的三角形砧面一级顶砧的结构三维视图；

图4c是一级顶砧装配后的大腔体分割球式超高压设备结构剖视图。

图5a-c是添加八个五面体二级顶砧的大腔体分割球式超高压设备结构示意图，其中：

图5a是五面体二级顶砧的结构三维视图；

图5b是装配后的五面体二级顶砧的结构三维视图；

图5c是一级、二级顶砧装配后的结构剖视图。

其中：1.高压腔体，2.四边形砧面一级顶砧，3.弹性密封包裹套，4.上半球高压罐，5.下半球高压罐，6.液压手臂，7.左护套，8.右护套，9.滑轨，10.机架，11.镶嵌槽，12.棱台形二级顶砧，13.七面体二级顶砧，14.三角形砧面一级顶砧，15.五面体二级顶砧

具体实施方式

以下结合附图所示实施例，进一步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分割球式超高压设备，主要由顶砧、高压罐、护套及机架10组成。所述的顶砧由六个四边形砧面的一级顶砧组成，其底面为类球形曲面，位于高压罐内部；所述的高压罐由添加弹性密封包裹套3的上、下半球高压罐5组成，上半球高压罐4的位置由液压手臂6控制，下半球高压罐5由螺栓与机架10固定，二者位于护套内部；所述的护套由左护套7和右护套8组成，其轴向位置由螺栓与机架10固定，其径向位置由滑轨9控制；高压罐与护套通过镶嵌槽11配合固定，构成大腔体分割球式超高压设备。依据大质量支撑原理，当一级顶砧的底面面积选定后，砧面面积越小其可获得的极限腔体压力值越高。因此，可以通过缩小一级顶砧的砧面面积，提高大腔体分割球式超高压设备可获得的极限腔体压力值。当然，所述的一级顶砧围成的腔体内也可以添加六个棱台形二级顶砧12，其砧面与底面均为四边形；或者所述的一级顶砧围成的腔体内部添加七面体二级顶砧13，其砧面与底面分别为三角形和四边形。二级顶砧的添加，能够进一步增加“大腔体分割球式超高压设备”可获得的极限腔体压力值。大腔体分割球式超高压设备不仅可以由六个四边形砧面的一级顶砧与高压罐、护套及机架10组成，围成六面体腔体；也可以由八个三角形砧面一级顶砧14与高压罐、护套及机架10组成，围成八面体腔体。当然，也可以通过缩小三角形砧面的面积，提高大腔体分割球式超高压设备可获得的极限腔体压力值。当选用三角形砧面一级顶砧14时，为进一步增加“大腔体分割球式超高压设备”可获得的极限腔体压力值。可以在其围成的八面体腔体内部添加八个五面体二级顶砧15，五面体二级顶砧15的砧面与底面均为三角形。大腔体分割球式超高压设备能够获得25-80GPa的腔体压力，不仅其腔体压力较现有分割球式高压设备增加5-16倍，其高压腔体1的体积也能够较现有分割球式高压设备增加3-5倍。本实用新型不仅能够解决现有分割球式高压设备“高压腔体1体积小、组装复杂、极限腔体压力低”等问题，而且能够填补我国在分割球式高压设备设计、制造及生产方面的空白，对促进我国大尺寸宝石级金刚石高压合成技术具有重要的现实意义。

图1a-c是采用六个四边形砧面一级顶砧的大腔体分割球式超高压设备结构示意图，其中：图1a是四边形砧面一级顶砧的结构三维视图；图1b是装配后的四边形砧面一级顶砧的结构三维视图；图1c是一级顶砧装配后的大腔体分割球式超高压设备结构剖视图。所述的顶砧由六个四边形砧面的一级顶砧组成，其底面为类球形曲面，位于高压罐内部；所述的高压罐由添加弹性密封包裹套3的上、下半球高压罐5组成，上半球高压罐4的位置由液压手臂6控制，下半球高压罐5由螺栓与机架10固定，二者位于护套内部；所述的护套由左护套7和右护套8组成，其轴向位置由螺栓与机架10固定，其径向位置由滑轨9控制；高压罐与护套通过镶嵌槽11配合固定，构成大腔体分割球式超高压设备。六个四边形砧面一级顶砧2的大腔体分割球式超高压设备围成的样品腔为六面体腔体。通过高压泵将液压油注入高压罐与弹性密封包裹套3之间，能够驱动“弹性密封包裹套3内部的顶砧”完成向心运动并产生高压条件；通过在六面体高压腔体1内添加石墨管等加热炉，样品腔能够获得高温环境。本方案实施结果表明，“六个四边形砧面一级顶砧2的大腔体分割球式超高压设备”的高压腔体1的体积，能够较现有分割球式高压设备增加5倍。通过缩小四边形砧面的面积，能够提高大腔体分割球式超高压设备可获得的极限腔体压力值至25GPa。

图2a-c是添加六个棱台形二级顶砧的大腔体分割球式超高压设备结构示意图，其中：图2a是棱台形二级顶砧的结构三维视图；图2b是装配后的棱台形二级顶砧的结构三维视图；图2c是一级、二级顶砧装配后的结构剖视图。所述的“六个棱台形二级顶砧12的大腔体分割球式超高压设备”围城的高压腔体1为六面体，其通过“六个四边形砧面一级顶砧2”挤压“六个二级顶砧的四边形底面”实现顶砧向心运动并产生高压条件。二级顶砧的添加，能够进一步增加“大腔体分割球式超高压设备”可获得的极限腔体压力值。本方案实施结果表明，添加了六个棱台形二级顶砧12的大腔体分割球式超高压设备，能够获得25-50GPa的腔体压力，腔体压力较现有分割球式高压设备增加5-10倍。

图3a-c是添加八个七面体二级顶砧的大腔体分割球式超高压设备结构示意图，其中：图3a是七面体二级顶砧的结构三维视图；图3b是装配后的七面体二级顶砧的结构三维视图；图3c是一级、二级顶砧装配后的结构剖视图。所述的“八个七面体二级顶砧13的大腔体分割球式超高压设备”围城的高压腔体1为八面体，其通过“六个四边形砧面一级顶砧2”挤压“八个二级顶砧的四边形底面”实现顶砧向心运动并产生高压条件。二级顶砧的添加，能够进一步增加“大腔体分割球式超高压设备”可获得的极限腔体压力值。本方案实施结果表明，添加了八个七面体二级顶砧13的大腔体分割球式超高压设备，能够获得25-80GPa的腔体压力，腔体压力较现有分割球式高压设备增加5-16倍。

图4a-c是采用八个三角形砧面一级顶砧的大腔体分割球式超高压设备结构示意图，其中：图4a是三角形砧面一级顶砧的结构三维视图；图4b是装配后的三角形砧面一级顶砧的结构三维视图；图4c是一级顶砧装配后的大腔体分割球式超高压设备结构剖视图。所述的“八个三角形砧面一级顶砧14的大腔体分割球式超高压设备”围成的样品腔为八面体腔体。通过高压泵将液压油注入高压罐与弹性密封包裹套3之间，能够驱动“弹性密封包裹套3内部的顶砧”完成向心运动并产生高压条件；通过在八面体高压腔体1内添加石墨管等加热炉，样品腔能够获得高温环境。本方案实施结果表明，“八个三角形砧面一级顶砧14的大腔体分割球式超高压设备”的高压腔体1的体积，能够较现有分割球式高压设备增加3倍。通过缩小三角形砧面的面积，能够提高大腔体分割球式超高压设备可获得的极限腔体压力值至30GPa。

图5a-c是添加八个五面体二级顶砧的大腔体分割球式超高压设备结构示意图，其中：图5a是五面体二级顶砧的结构三维视图；图5b是装配后的五面体二级顶砧的结构三维视图；图5c是一级、二级顶砧装配后的结构剖视图。所述的“八个五面体二级顶砧15的大腔体分割球式超高压设备”围城的高压腔体1为八面体，其通过“八个三角形砧面一级顶砧14”挤压“八个五面体二级顶砧15的三角形底面”实现顶砧向心运动并产生高压条件。二级顶砧的添加，能够进一步增加“大腔体分割球式超高压设备”可获得的极限腔体压力值。本方案实施结果表明，添加了八个五面体二级顶砧15的大腔体分割球式超高压设备，能够获得25-70GPa的腔体压力，腔体压力较现有分割球式高压设备增加5-14倍。

下面举例说明大腔体分割球式超高压设备的装配及工作过程：

首先，依据确立的高压腔体的尺寸、极限腔体压力值等参数，选择大腔体分割球式超高压设备各组成部件(顶砧、高压罐、护套及机架)的材质、结构及几何尺寸。然后，将“组装好的高压腔体与装配后的一级顶砧”按次序添加在带有弹性密封包裹套的上、下半球高压罐内部，其中上半球高压罐的位置由液压手臂控制。通过滑轨控制左、右护套的径向位置，实现护套与高压罐镶嵌槽配合固定。最后，通过高压泵将液压油注入高压罐与弹性密封包裹套之间，从而驱动“弹性密封包裹套内部的顶砧”完成向心运动并产生高压条件；通过在高压腔体内添加石墨管等加热炉，使样品腔获得高温环境；从而获得超硬材料高压合成所需的高温高压条件，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，进一步促进高压物理学、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)

1.一种大腔体分割球式超高压设备，主要由顶砧、高压罐、护套及机架组成，其特征在于：

所述的顶砧由多个多边形砧面一级顶砧组成，其底面为类球形曲面，位于高压罐内部；所述的高压罐由添加弹性密封包裹套(3)的上、下半球高压罐(4、5)组成，上半球高压罐(4)的位置由液压手臂(6)控制，下半球高压罐(5)由螺栓与机架(10)固定，二者位于护套内部；所述的护套由左护套(7)和右护套(8)组成，其轴向位置由螺栓与机架(10)固定，其径向位置由滑轨(9)控制；高压罐与护套通过镶嵌槽(11)配合固定，构成大腔体分割球式超高压设备。

2.根据权利要求1所述的大腔体分割球式超高压设备，其特征在于：

所述一级顶砧个数为六个，其砧面为四边形。

3.根据权利要求2所述的大腔体分割球式超高压设备，其特征在于：

所述的一级顶砧围成的腔体内部添加六个棱台形二级顶砧(12)，其砧面与底面均为四边形。

4.根据权利要求2所述的大腔体分割球式超高压设备，其特征在于：

所述的一级顶砧围成的腔体内部添加八个七面体二级顶砧(13)，其砧面与底面分别为三角形和四边形。

5.根据权利要求1所述的大腔体分割球式超高压设备，其特征在于：

所述的一级顶砧个数为八个，其砧面为三角形。

6.根据权利要求5所述的大腔体分割球式超高压设备，其特征在于：

所述的一级顶砧围成的腔体内部添加八个五面体二级顶砧(15)，其砧面与底面均为三角形。