基于铰链式六面体压机的超高压装置

摘要

本发明的基于铰链式六面体压机的超高压装置，属于超硬材料合成设备的技术领域。结构有六面体压机同步驱动的六个压机压砧(1)、立方体的合成块(3)、在压机压砧砧面(2)和合成块(3)的平面之间放置的增压压砧(5)；立方支撑框(4)由四个增压压砧支架(6)组装而成，每个增压压砧支架(6)由三根相互垂直的柱构成；增压压砧(5)能够穿过立方支撑框(4)的六个框面在增压压砧(5)的轴线方向移动，对合成块(3)加压或卸压。本发明的最大优点是，六个增压压砧(5)可以非常简单地装配到立方支撑框(4)上，不需要调试对中就可以直接使用，安装调试快捷准确，节省时间。

权利要求

1.一种基于铰链式六面体压机的超高压装置，结构包括六面体压机同步驱动的六个压机压砧（1）、内装合成材料的立方体的合成块（3）、在压机压砧砧面（2）和合成块（3）的平面之间放置的六个增压压砧（5）；其特征是，结构还包括立方支撑框（4），立方支撑框（4）由四个增压压砧支架（6）组装而成，每个增压压砧支架（6）由三根相互垂直的方柱构成，三根方柱各有一个端头固定在一起；六个增压压砧（5）能够分别穿过立方支撑框（4）的六个框面在增压压砧（5）的轴线方向移动，对合成块（3）加压或卸压；所述的增压压砧（5），是碳化钨、金刚石、立方氮化硼多晶烧结体的一种，或者是它们之间烧结制备的复合材料中的一种。

2.根据权利要求1所述的基于铰链式六面体压机的超高压装置，其特征是，所述的增压压砧（5），侧面是平面，增压压砧（5）主体的横截面为正方形或横截面为有导角的正方形。

3.根据权利要求1或2所述的基于铰链式六面体压机的超高压装置，其特征是，两个相对的增压压砧（5）的轴线长度和立方体合成块（3）的边长之和大于立方支撑框（4）的外平面的边长。

说明书

基于铰链式六面体压机的超高压装置

技术领域

[0001] 本发明属于超硬材料合成设备的技术领域，特别涉及一种铰链式六面体液压机中使用的产生静高压的装置。背景技术：

[0002] 高温高压环境是开展人工合成造金刚石、立方氮化硼(cBN)等超硬材料以及相关高压科学研究的必要条件。大腔体静高压装置是产生高温高压环境的主要设备。在多面体高压装置中，铰链式六面体压机装置具有六面体压腔，结构紧凑，加工及安装相对简单，造价也相对便宜。目前该设备已广泛用于超硬材料行业，是我国成为超硬材料产业大国的主要生产设备。随着工业技术水平的进步，六面体压机的设计和整体制造的水平大幅提高，六面体压机不断向大型化方向发展。压机的不断大型化为高档超硬材料及其制品的制备提供了技术保障。然而在现有设备中使用的技术所能获得最高压力约为7Gpa。该技术不能满足高压科学、地球科学和材料科学发展的需要。近年来发展起来的同步辐射技术，为高压科学研究提供了一个全新的技术平台。目前利用同步辐射研究高压下物质结构和性质的高压技术主要以金刚石对顶砧技术为主。该技术可以获得100GPa以上的压力。但该技术的缺点是：样品腔体较小，在微米数量级。大腔体的高压原位实验技术还是一片空白。

[0003] 高压腔体大于10GPa的多面体高压装置中，主要有DIA六面体装置、基于两面顶构架的六面体压机装置，基于两面顶构架的二级六-八面体大腔体静高压装置。在六面体装置中，采用硬质合金(WC)压砧或者是金刚石、立方氮化硼烧结体作为压砧，腔体最高压力可达15Gpa。在六-八面体装置中，采用碳化钨(WC)作为第二级八面体增压压砧材料，腔体压力可高达30Gpa。由于腔体压力较高，该技术装置已广泛用于世界上高水平的静高压实验室。与铰链式六面体压机技术相比，DIA六面体装置、基于两面顶构架的六面体压机装置，需要将轴向压力转换为六个方向的压力，结构复杂，压力转换效率低，价格十分昂贵，维护成本高昂等缺点。

[0004] 近年来，贺端威教授发展起来的基于铰链梁式六面体压机的六-八面体静高压装置(见中国专利ZL200710048839.2)，腔体压力可高达20Gpa。在该技术中，他们同样采用了类似于基于两面顶构架中滑块式六-八面体中的二级增压压砧材料，即采用二级增压形成八面体压腔来产生静高压。基于铰链式六面体压机开发的超高压实验技术，合成腔体压力可高达30GPa(见中国专利CN101912749A)。尽管这些技术可以得到较高的高压腔体压力，但是存在压砧安装、调试、更换等方面的技术缺陷。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题，是针对现有高压技术中用于产生大腔体静高压装置中存在的不足，旨在提供一种压强转换效率更高，造价低、高效低能耗、安装调试和维修工作更简单，用于产生大腔体超高静水压的新型装置。

[0006] 本发明所述的用于产生静高压的装置，是在六面体压机的六面体压腔内，增加六个增压压砧，组成一个基于六面体压机构架的六面体大腔体静高压装置。该装置包括由六面体压机同步驱动的六个压机压砧、六个增压压砧、用于组装六个增压压砧的四个独立的增压压砧支架和内装合成材料的立方体合成块。六个增压压砧放置在四个增压压砧支架组装而成的立方支撑框内，并可在增压压砧的轴向方向(即分别垂直立方支撑框六个框面的方向，也是增压压砧加压的方向)自由移动，并置于六面体压机压砧内。为了保证六面体压机压砧不接触到增压压砧支架，两个增压压砧和立方体合成块的总长度一定要大于增压压砧支架的最长边的长度。为了保证增压压砧不相互接触，立方体合成块的尺寸应大于增压压砧合围的六面体的表面尺寸。为了得到较高的合成腔体压力，六个增压压砧的材质可以选用碳化钨、金刚石、立方氮化硼多晶烧结体的一种，或者选用他们之间烧结制备的复合材料中的一种；组装增压压砧支架采用硬质合金钢。

[0007] 本发明的具体技术方案如下：

[0008] 一种基于铰链式六面体压机的超高压装置，结构有六面体压机同步驱动的六个压机压砧1、内装合成材料的立方体的合成块3、在压机压砧砧面2和合成块3的平面之间放置的增压压砧5；其特征是，结构还有立方支撑框4，立方支撑框4由四个增压压砧支架6组装而成，每个增压压砧支架6由三根相互垂直的方柱构成，三根方柱各有一个端头固定在一起；所述的增压压砧5有六个，能够分别穿过立方支撑框4的六个框面在增压压砧5的轴线方向移动，对合成块3加压或卸压。

[0009] 所述的增压压砧5，侧面最好不再是圆柱面，侧面可以是平面，即增压压砧5主体的横截面为正方形或横截面为有导角的正方形，导角可以是圆弧的，也可以是直线的。每个增压压砧5的四个平面侧面有助于增压压砧5在立方支撑框4中自由地沿轴向方向移动。

[0010] 两个相对的增压压砧5的轴线长度和立方体合成块3的边长之和要大于立方支撑框4的外平面的边长，以保证六面体压机压砧1不接触到立方支撑框4。

[0011] 本发明的用于产生静高压的新型装置的高压系统工作原理为大质量支撑原理。即由一个大直径的活塞支撑一个带锥形平面的压砧，在压砧前端的小平面上产生高的压强，通过传压介质把高的压强传递到腔体中产生静高压。首先由六面体压机的液压系统同步驱动压机压砧空进与增压压砧接触，压砧在液压系统持续推动下继续挤压增压压砧，六个增压压砧在一级压砧(压机压砧)的推动下向其所围成的空腔压缩，挤压立方体合成块，在其内部产生超高压。由于六面体压机压砧砧面的尺寸小于两个相对增压压砧及合成块的总长度，所以六面体压机压砧在整个前进的过程中不会发生碰撞。由于增压压砧由四个独立增压压砧支架支撑，立方体合成块的表面尺寸大于增压压砧表面边长，所以增压压砧在整个挤压六面体合成块的过程中不会发生相互碰撞，直至六面体合成块的压力达到预定值，进行保压。实验结束后，由液压系统驱动的压机压砧退回至初始位置即可取出增压压砧，进而从增压压砧中取出合成块。

[0012] 本发明所述的一种用于产生超高压的新型装置与现有的DIA型压机、两面顶构架的六面体压机及基于二级六-八面体大腔体静超高压装置、六面体压机上超高压装置等相比，主要优点如下：

[0013] 1、本发明所述的装置可产生约50GPa、3000K的高温高压条件，整体性能优越。

[0014] 2、本发明所述的静高压装置，在安装调试方面具有快捷、迅速的优点。可适用于压机压的不同砧面尺寸的六面体压机中使用。节省了大量的安装、更换、调试压砧时间。

[0015] 3、本发明所述的静高压装置完全省却了将轴向加压转换为六方向加压的技术，直接在腔体中实现超高压强。从力学角度讲：不存在压力损耗，提高了压强的转换效率；从运行角度讲：减少了能量的传递过程，节约了能源；从维护角度讲：减少了设备的出错率，提高了设备的运行稳定性，增加了设备的使用寿命，减少了维修人员的工作量。

[0016] 4、本发明所述的静高压装置，可配合同步辐射光、中子散射光、拉曼光谱、红外光谱等技术，开展高压原位物性研究。

附图说明

[0017] 图1为背景技术的六面体静高压装置示意图；

[0018] 图2为本发明的基于铰链式六面体压机的超高压装置平面示意图；

[0019] 图3为本发明的立方支撑框4和增压压砧5装配位置示意图；

[0020] 图4为本发明由四个增压压砧支架6装配成的立方支撑框4的结构图；

[0021] 图5为本发明的一个增压压砧支架6形状示意图；

[0022] 图6为本发明的增压压砧5形状示意图。

具体实施方式

[0023] 实施例1 结合附图说明本发明的结构

[0024] 本发明的用于产生静高压的新型装置，是基于铰链式构架的六面体压机构架(其结构如图1所示)的六面体大腔体静高压装置。

[0025] 本发明的基于铰链式六面体压机的超高压装置平面示意图如图2所示。在图1、2中，1为压机压砧，是由六面体压机液压驱动的硬质合金压砧，共有六个；2为压机压砧的砧面；3为合成块，是立方体形状，内装合成材料；5为增压压砧，本发明的一种增压压砧5的形状可参见图6，图6给出的增压压砧5其横截面为有直线导角的正方形(导角也可以是圆弧)；6为增压压砧支架，每个增压压砧支架6由三根相互垂直的方柱构成，三根方柱各有一个端头固定在一起，三根方柱中是一长两短的，较长方柱的长度等于短方柱的长与宽之和；4为立方支撑框，是由四个独立的增压压砧支架6组装而成的正立方体形状的框架；立方支撑框4和增压压砧支架6的具体形状可分别参见图4和图5。

[0026] 为了使六个压机压砧1(亦称顶锤)在接触到增压压砧5并涉及六面体合成块3后能够继续对合成块3施压，增压压砧5砧面尺寸与合成块3一个面的比例范围在1～0.2，较好的比例为0.7。增压压砧支架6材质可以为硬质合金钢，由三个相互垂直的长方柱组成的一个整体。增压压砧5与传统的压砧相比，由原来的圆弧形侧面改变为相邻平面互相垂直的四个平面侧面。平面侧面有助于增压压砧5在立方支撑框4中自由地在轴向方向移动。这样的立方支撑框4和侧面为平面的增压压砧5相配合的结构的最大优点是：六个增压压砧5可以非常简单地装配到由增压压砧支架6组装的立方支撑框4上，并且不需要调试对中就可以直接使用，节省了大量的安装、调试时间。

[0027] 实施例2 具体实例

[0028] 1.如六面体的压机压砧1(顶锤)材料选用WC，砧面尺寸为23.5＊23.5mm时，增压压砧5的底面边长尺寸选择14.5＊14.5mm。增压压砧5的小表面边长尺寸可在1～4mm范围变化，可以得到不同的高压合成腔体的尺寸和压力。增压压砧3小表面边长3mm时，高压腔体压力可达23GPa；

[0029] 此时，增压压砧支架6选用合金钢材料，三根方柱的横截面选择4.5＊4.5mm，两根短的方柱长度选择14.5mm，另一根长的方柱长度为19mm。

[0030] 2.如六面体压机的压砧1(顶锤)材料选用WC，砧面尺寸为35＊35mm时，增压压砧5的底面边长尺寸选择23.5＊23.5mm，增压压砧5的小表面边长尺寸可在1～6mm范围变化。增压压砧5小表面边长为4mm时，高压腔体压力可达25GPa；

[0031] 此时，增压压砧支架6选用合金钢材料，三根方柱的横截面选择7.5＊7.5mm，两根短的方柱长度选择23.5mm，另一根长的方柱长度为31mm。

[0032] 3.如果采用金刚石烧结体做增压压砧5，可以获得更高的腔体压力。