超高压物理实验技术虚拟仿真实验设计与实现

张 勇，贾洪声，刘惠莲，鄂元龙

(1.吉林师范大学 物理国家级实验教学示范中心，吉林 四平 136000；2.吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000)

高压物理实验技术作为一种极端条件产生技术，基于多对顶砧装置可在3～10GPa压力下合成新材料，是目前超硬材料合成的主要手段之一，推动了以超硬材料为基础的新一代机械加工刀具的发展，对于机械加工与制造业的发展至关重要[1-3]。该技术的学习与实践对于应用物理学、材料物理等专业学生的实践能力和创新意识的培养作用显著。但是，超硬材料合成中常用的多对顶砧高压物理实验设备占地空间大、价值昂贵，无法布置教学需求的台套数。同时，实验周期长、成本消耗高。因此，实验教学从“做实验”变成了“讲实验”，学生的实践创新能力不能得到充分提升。随着现代信息技术与教育领域的融合不断深化，虚拟仿真技术被越来越多地应用于各学科专业的教学实践中，有效解决了设备昂贵和台套数受限问题，在实验教学中表现出巨大优势[4-9]。

本文以高压物理实验技术合成立方氮化硼超硬材料为主线，构建三维虚拟空间，还原再现实验场景，对主要实验仪器进行高仿真度的建模、仿真，设计开发了具有自主知识产权的超高压物理实验技术虚拟仿真实验，通过与线下实验教学相结合，提高高压物理实验教学的效率和质量。

1 总体方案设计

1.1 系统架构

如图1所示。超高压物理实验技术虚拟仿真实验依托开放式虚拟仿真实验教学管理平台运行。平台运算数据库负责加载运行软件的数学计算模型，并提供了一整套供其他应用程序访问的数据交互接口。应用管理程序如DCS控制系统、智能评分系统、Unity3D仿真程序、工况管理和事故控制等程序对各类算法模块和工艺设备的图形表示进行设计和组合，设置仿真软件的初始状态，设置仿真软件中的考核点并赋予相应的分值。最终利用运算数据库提供的数据访问接口相互协同工作，完成整个仿真工艺的模拟和练习。

图1 虚拟仿真实验教学管理平台系统架构

教师和学生在B/S运行架构下，根据分配的账号登录到网络平台。教师帐号具有权限对机构中的学员进行统一管理，并能够创建仿真考试教室、查看优秀学员、学习日志以及各类统计报表。学生账号能够学习仿真软件、查看自己的学习记录、考试记录、实验报告以及学习问题答疑等。

1.2 核心要素仿真原则

(1)实验涉及使用的电子天平、真空热压炉、四柱压机、六面顶压机、维氏硬度计、X射线衍射仪、万能试验机等仪器设备需高精度3D建模，关键结构部件可分解呈现，便于学生理解仪器结构及工作原理。

(2)利用交互技术对仪器的操作流程进行高度还原，包括正确使用的操作规范和错误使用时的危害警示(如六面顶压机设备的压强、温度标定，压机缸体活塞的空进、压缩、施压、泄压等过程，XRD物相测试分析、硬度测量、力学性能测试表征等操作规程)，使学生能够在虚拟的环境中，学习掌握真实仪器的操作及注意事项。

(3)通过模拟仿真技术，模拟高温、高压条件对固相材料的影响，包括设置不同的实验工艺参数，对不同烧结原料进行配比设计，完成不同烧结性能样品的合成和分析，使学生能够掌握超硬材料烧结体的合成工艺流程。

2 虚拟仿真实验内容设计与实现

2.1 三维虚拟仿真实验场景构建

(1)仪器设备模型开发

图2 六面顶压机三维模型示例

(2)三维虚拟实验室的搭建

本实验以Unity3D为引擎开发虚拟实验场景和环境。将开发完成的三维模型及其材质导入Unity3D中，参考实际实验室的空间布置情况及实验操作要求，分布在样品制备实验室、高温高压实验室和分析实验室3个虚拟实验室中，如图3所示。

图3 虚拟仿真实验室场景分布

2.2 教学内容模块设计

超高压物理实验技术虚拟仿真实验由粉体原料称量及预处理、超硬材料高温高压合成和合成样品性能测试分析3个实验模块以及17个交互实验步骤组成。

(1)原料称量及预处理模块

在原料称量及预处理模块中，学生通过称量药品(图4)、混合研磨、真空炉热处理、组装预压模具等互动操作，掌握高温高压实验前对粉体材料的预处理过程，熟悉电子天平、真空管式炉等设备的规范操作流程。具体操作步骤包括：根据组分设计称量立方氮化硼颗粒(CBN)和碳化硼(B4C)；充分混合研磨后，置于真空管式炉内；启动真空泵抽真空，随后根据提示设置热处理程序(图5)；完成热处理后将粉体导入模具中，准备制作预压块。

图4 原料称量过程

图5 设置热处理参数

(4)超硬材料高温高压合成

在超硬材料高温高压合成模块中，学生将通过制作预压块、组装叶腊石合成块、操控六面顶压机等互动操作，掌握高压腔体组装、六面顶压机参数设定及设备运行的规范流程和高温高压合成工作原理。具体操作步骤包括：在四柱压机上将预处理粉体压制成样品块(图6)；将样品快、石墨管、绝缘堵头、石墨片、铜片、白云石环、钢帽和叶腊石复合块等传压保温材料按提示顺序组装成叶腊石合成块腔体；启动六面顶压机，根据提示设置合成工艺曲线(图7)；通过“压机手动操作器”对压机缸体进行手动控制，装载合成块腔体(图8)；按下“合成”键，液压机高压充液，按预设工艺参数运行；待完成合成后操控机器“卸压”、“回程”，取出高温高压合成样品(图9)。

图6 四柱液压机制作样品块

图7 设置高温高压合成工艺曲线

图8 装载合成腔体

图9 取出高温高压合成样品

(5)合成样品性能测试分析

在样品性能测试分析模块中，学生通过X射线衍射仪、硬度计、万能试验机等互动操作，学会对样品的物相结构分析、硬度分析和断裂韧性分析，掌握X射线衍射仪、硬度计和万能试验机的规范操作流程。

具体操作步骤包括：

首先，启动X射线衍射仪的循环水和主机进行预热；打开控制软件，根据提示设置仪器参数；将待测样品置于衍射仪载物台上；操作软件开始测量，进行X射线衍射谱图采集，处理数据(图10)。

图10 立方氮化硼样品的XRD表征

随后，前往硬度计，启动硬度测试软件；建立连接后，将样品放置于载物台上，转动升降装置调整清晰度；点击“加载返回”得到方形压痕，测量样品的硬度数据(图11)。

图11 立方氮化硼样品的硬度表征

最后，前往万能试验机，启动万能试验机测试软件并联机；将样品置于压具上，操作仪器控制面板使压头置于样品块上方2～3 mm处；在电脑端，根据操作指引设置样品信息和方案设定；启动并记录测试结果(图12)。

图12 立方氮化硼样品的断裂韧性表征

2.3 系统评价与反馈

通过上述实验内容的操作与学习，让学生学会立方氮化硼超硬材料的组分设计、掌握基于六面顶压机高压物理实验技术合成超硬材料的生产工艺流程，熟悉超硬材料的性能测试和评价方法。在操作过程中，系统后台实时记录学生操作，并通过提示、反馈等功能监督和引导实验进程，以各步实验目的达成作为评价依据，给出实验操作成绩。

3 教学效果与推广应用

目前，该虚拟仿真实验已在本校物理学、应用物理学等专业的学生中进行了教学应用。实践表明，学生通过完成立方氮化硼超硬材料的模拟合成、模拟表征，深入了解了实验仪器的结构、使用流程及注意事项等，增强了对超高压物理实验技术及表征技术的整体性、全方位认识，减少了误操作导致的损耗和危险，激发了学生对高压物理实验的兴趣。此外，该虚拟仿真实验通过国家虚拟仿真实验平台——“实验空间”面向社会开放。自上线以来，浏览量达到1万多人次，其中1 700多人完成了实验操作，700多人给予5分好评。该虚拟仿真实验解决了实体实验教学所面临的人数多、设备少、空间小、危险高、能耗大的教学问题，起到良好的共享和示范作用，2020年被认定为国家虚拟仿真实验教学示范项目。