基于国产六面顶压机的二级6-8型大腔体静高压装置(上)

王海阔,贺端威

(1河南工业大学材料学院,郑州450007;2.四川大学原子与分子物理研究所,成都610065)

基于国产六面顶压机的二级6-8型大腔体静高压装置(上)

王海阔1,贺端威2

(1河南工业大学材料学院,郑州450007;2.四川大学原子与分子物理研究所,成都610065)

主要介绍基于国产六面顶压机构建的二级6-8型大腔体静高压装置的力学结构,压力标定,加热组装设计,温度标定,以及采用金刚石复合材料作为二级顶锤产生超高压的一些探索性工作。一系列的结果表明,基于六面顶压机的二级增压装置的研发成功,促进了国内高压科学与技术及新型超硬材料的发展。实验表明,自行研制的多晶金刚石—硬质合金复合末级压砧可使基于国产六面顶压机构架的二级加压系统的压力产生上限从约20 GPa提高到35 GPa以上,拓展了国内大腔体静高压技术的压力产生范围。应用这一技术,我们期望经过末级压砧材料与压腔设计的进一步优化,在基于国产六面顶压机的二级6-8型大腔体静高压装置压腔中产生超过50 GPa的高压。

六面顶压机;综述;压力标定;金刚石顶锤;35 GPa

1 引言

压力(强)类同于温度及化学组份,是决定物质存在状态与导致结构物性改变的基本热力学要素之一。高压科学与技术可广泛应用于材料科学、新能源、地学与行星科学、化学等领域,其中应用于材料领域最经典的例子就是人造金刚石与立方氮化硼超硬材料的高温高压合成。高压实验技术是进行高压下材料合成及物性研究的物质基础。

高压实验技术分为静高压与动高压,其中静高压实验技术又分为大腔体(样品尺寸大于1 mm3)静高压技术与小腔体静高压技术(如:金刚石对顶砧等)。金刚石对顶砧装置可产生600万大气压以上(～600GPa)的压力[1],但样品尺寸只有微米量级。大腔体静高压装置可分为一级大腔体静高压装置与二级(或多级)大腔体静高压装置。一级大腔体静高压装置主要包括两面顶与一级多面顶压腔装置。目前两面顶压腔装置如:凹曲面压腔(Toroidal-anvil press)、年轮式压腔(Belt press)、柱塞式压腔(Piston-cylinder press)所能产生的最高压强分别约为15 GPa、8 GPa、5 GPa,其中凹曲面压腔与柱塞式压腔多用于科学研究,年轮式压腔主要用于工业生产[2-11]。一级多面顶压腔装置主要包括四面顶压机(Tetrahedral press)与六面顶压机(Cubic press)。其中,四面顶压机目前已很少用于科研与生产;六面顶压机在国内应用最普遍,当六面顶压机顶锤作用面面积大于20×20 mm2时,其可产生的最高压强约为9GPa[2-4],样品尺寸可达到cm量级。应用最广的二级或多级大腔体静高压装置通常又称八面体压机,由八个二级顶锤和八面体传压介质组成的二级(末级)增压单元置于一级(前级)压腔内产生高压,如采用碳化钨(WC)二级顶锤,可产生的最高压强约为25 GPa,如采用聚晶金刚石二级顶锤,压强极限可提高至80 GPa以上[12]。

本文主要介绍笔者所在实验室研制的基于国产六面顶压机构建的二级6-8型大腔体静高压装置的力学结构、压力标定、加热组装设计、温度标定以及采用金刚石作为二级顶锤产生超高压的一些探索性工作。

2 国外多级大腔体增压技术介绍

二级大腔体静高压装置可达数十GPa和2000℃以上的压力温度条件,并能与同步辐射X射线衍射技术相结合,实现对实验样品的原位测量。目前,国际上使用的多级增压装置大多基于两面顶压机构建,通过采用滑块式组装将两面顶压腔转变为六面顶压腔,再内置八面体增压单元,转化为2-6-8型大腔体静高压装置(图1)[13,14]。国外基于两面顶压机构建的二级增压装置已发展得比较成熟,当采用聚晶金刚石二级顶锤时,腔体压强可达到80 GPa以上。压力温度条件的提升,使得研究人员揭示了大量新物理现象并促进了新型材料的合成,如在约15 GPa、2700 K的温度压力条件下进行了石墨直接转化为纳米聚晶金刚石(NPD)的实验。图2(a)为石墨直接转化为NPD的压力温度区域图[15,16],图2(b)为日本爱媛大学合成的直径为6～8mm的NPD的光学图片;另外,在8～20 GPa、2100～2300 K的温度压力条件下进行了六方氮化硼(hBN)直接转化为纳米聚晶立方氮化硼(NPcBN)的实验,图2(c)为hBN直接转化为NPcBN的温度压力区域图[17]。NPD与NPcBN具有极高的硬度与耐磨性(分别高于金刚石和立方氮化硼单晶)[15-17],其工业化必将引起超硬材料行业的革命。国外科研单位已经投入巨资研发相关设备,如日本爱媛大学亚洲地球物理中心已投入相当上亿元人民币的资金来完成二级大腔体静高压装置的大型化(日本正在进行的十项COE项目之一),以使NPD与NPcBN产业化。在日本以及德国,为了使大腔体静高压装置的腔体达到5～8 mm,同时温度压力条件达到12 GPa、2300 K以上,通常使用基于5000～6000吨的两面顶压机构架的多级加压装置[14]。引进一套此类装置所需费用需约五千万元(人民币),近年来,我国已有单位从国外订购了整套的基于1000吨两面顶压机构架的2-6-8型大腔体静高压装置(样品直径为1～2 mm),从订货到安装调试所需总费用合计约五百万元(人民币),主要组装(消耗)件亦须从国外购买,运行成本非常高,且由于合成腔体小,目前只能用于科学研究。

尽管2-6-8型多级大腔体静高压技术已成熟运用于欧、美、日等国家的高温高压实验室中,但国内的多级增压技术发展起步晚,技术水平相对落后。2007年,笔者所在实验室开始研制基于国产铰链式六面顶压机构建的二级6-8型大腔体增压装置,到目前为止,已发展了14/8、12/6和10/4(八面体传压介质的边长/末级压砧正三角形截面的边长,单位长度:mm)三种组装,14/8和12/6组装可达到的最大腔体压力约为18 GPa,10/4组装的最大腔体压力约为20 GPa。

图1 基于两面顶压机的多级增压装置示意图Fig.1 Schematic of two-stage(multi-stage)apparatus based on two-anvil/Uniaxial press

图2 (a)为石墨直接转化为NPD的压力温度区域图,(b)为日本爱媛大学合成的直径为6～8mm的NPD的光学图片,(c)为hBN直接转化为NPcBN的温度压力区域图[17]Fig.2 (a)area chart of pressure and temperature of direct transfore of graphite into NPD,(b)optical image of nano-polycrystalline diamonds(NPD)of a diameter of 6～8mm synthesized at Ehime University in Japan(c)area chart of pressure and temperature of direct transfore of hBN into NPcBN[17]

3 国内(四川大学)二级6-8型大腔体静高压装置发展状况

3.1 基于国产六面顶压机的二级静高压装置的力学结构

原理上,在六面顶压机内直接放置二级八面体增压单元,省去了由两面顶向六面顶转换的过程,从而减少了系统由两面顶转换成六面顶时滑块之间所产生的摩擦[18]。所以,基于六面顶压机构架的6-8型大腔体静高压装置的高压发生效率要比基于两面顶压机构架的2-6-8型大腔体静高压装置高。图3为基于国产六面顶压机的6-8型二级大腔体静高压装置的结构原理图。一级压腔由6个碳化钨顶锤构成,油缸推动6个一级顶锤合围而形成一个用于放置二级增压单元的立方体压腔。二级压腔由8个截面为正三角形的截角立方块(多为碳化钨或聚晶金刚石材质)构成,组合后8个截面合围而形成一个用于放置八面体传压介质的二级八面体压腔。8个截角立方块、1个八面体传压介质与12个叶蜡石密封条等组件组成立的方的二级增压单元。

图3 本实验室基于国产六面顶压机的二级大腔体静高压装置的结构示意图Fig.3 Schematic of two-stage large cavity static high pressure device based on the domestic cubic press at our laboratory

本实验室使用高纯氧化镁作为传压介质,密封条材质为天然叶蜡石,八面体传压介质的边长与二级顶锤的截角边长以一定的比例匹配。当六面顶压机开始工作,使6个一级顶锤作用在二级增压单元的六个表面,推动8个二级顶锤前进,挤压氧化镁八面体传压介质,在腔体内部建立高压。加载过程中,放置于立方块之间的密封条受到挤压而形成密封边。油压加载力一部分通过二级顶锤锤面(正三角形倒角)直接作用在传压介质上,在高压腔内产生高压;另一部分作用在叶蜡石密封边处,通过密封边材料的内摩擦力及与二级顶锤的外表面之间的摩擦力共同构成对八面体高压腔的密封。

3.2 不同组装高压腔内压力的标定

本实验室设计了14/8、12/6和10/4三种组装,对二级6-8型大腔体装置的高压发生效率机理进行了研究[6],并对其力学结构及末级压砧硬度对八面体压腔高压发生效率的影响进行了分析[7]。我们分别对三种组装的高压腔内部进行了压力标定,压力标定采用定点标压法。实验使用的标压物质及物质相变点有Bi(Ⅰ-Ⅱ,2.55 GPa)、Bi(Ⅲ-Ⅳ,7.7 GPa)[19,20]、Zn Te(I-II,5 GPa)、Zn Te(Ⅱ-Ⅲ,8.9～9.5 GPa)、Zn Te(Ⅲ-Ⅳ,11.5～13 GPa)[21,22]、ZnS(15.6 GPa)[23]和GaAs(19.3 GPa)[24],取Zn Te (Ⅱ-Ⅲ,8.9～9.5 GPa)的压力相变点为9.2 GPa,取Zn Te(Ⅲ-Ⅳ,11.5～13 GPa)的压力相变点为12.3 GPa。

标压实验过程为:将标压物质放置于氧化镁传压介质中,通过恒流源设置恒定的电流使之通过标压物质,选用多通道记录仪中的两个通道分别对油压和电压信号进行原位测量,测量的电压信号可通过欧姆定律转化为电阻信号,进而判断标压物质的相变点。压力标定的电路连接如图4所示。通过六面顶压机的液压控制系统设定压机运行的油压曲线进行高压加载实验。实验结束后,用软盘从多通道记录仪拷贝出实验数据,然后使用软件读取实验数据。通过数据分析,找出已知标压物质电阻突变时所对应的液压系统加载油压值,建立加载油压与标压物质相变压力的关系,从而获得油压与腔体压力的压力标定曲线。

图4 压力标定的电路连接[7]Fig.4 Circuit connection diagram of pressure calibration

[1] L.Dubrovinsky,N.Dubrovinskaia,V.B.Prakapenka,and A. M.Abakumov,Nat.commun,2012,3,1163.

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[7] 管俊伟,贺端威,王海阔,等.[J].物理学报,61,100701(2012).

[8] 贺端威,王海阔,谭宁.中国专利,(专利号:ZL 201010142804.7).

[9] 王海阔,贺端威.中国专利(申请号:201110091480.3).

[10] 贺端威,王海阔,许超.中国专利,(申请号:201210149626.X).

[11] 贺端威,王福龙,寇自力,等.中国专利,(专利号:ZL 2007 1 0048839.2).

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Two stage 6-8 Type Large Cavity Static High Pressure Device Based on the Domestic Cubic Press

WANG Hai-kuo*1,HE Duan-wei2*
(1.School of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,450007,China; 2..Institute of Atomic and Molecular Physics,Sichuan University,610065,China)

The mechanical structure,pressure calibration,heating assembly design and temperature calibration of two stage 6-8 type large cavity static high pressure device based on the domestic cubic press are introduced in this article.Some exploratory work to obtain ultrahigh pressure by using PDC as two-stage anvils has also been conducted.A series of results show that the successful development of the two stage 6-8 type large cavity static high pressure device based on the domestic cubic press promotes the development of domestic high pressure science and technology and the new type of superhard materials. Experiment shows that the self developed polycrystalline diamond-cemented carbide composite end-stage anvil can increase the press generation limit of the two stage 6-8 type large cavity static high pressure device based on the domestic cubic press from around 20 GPa to over 35 GPa.Therefore,the press generation range of domestic large cavity statichigh pressure device has been expanded.We are expecting to furthter potimize the endstage anvil materail and the pressure cavity design to generate high press of 50 GPa in the two stage 6-8 type large cavity static high pressure device based on the domestic cubic press through application of this technique.

cubic press;pressure calibration;diamond anvil;35 GPa

TQ164

A

1673-1433(2015)02-0006-05

2015-01-25

王海阔(1984-),男,博士,主要从事高温高压下超硬材料合成及大腔体超高压设备的研发。率先在国内利用自行研制的多晶金刚石二级顶锤在国产六面顶压机上产生了35 GPa的高压,创造了国内六面顶压机的压强产生记录。作为主要参与者在国内首次完成了石墨无触媒直接转化为纳米金刚石聚晶的实验。

王海阔,贺端威.基于国产六面顶压机的二级6-8型大腔体静高压装置(上)[J].超硬材料工程,2015,27(2):6-10.