一種可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置，包括加壓裝置系統(tǒng)和對頂壓砧樣品系統(tǒng)，對頂壓砧樣品系統(tǒng)設(shè)置在加壓裝置系統(tǒng)內(nèi)部，加壓裝置系統(tǒng)包括壓頭、腔體座和加載螺栓，壓頭設(shè)置在腔體座上方；壓頭由端頭和塞柱構(gòu)成，端頭設(shè)在塞柱頂部；對頂壓砧樣品系統(tǒng)包括對稱布置的兩個(gè)壓砧、支撐環(huán)、金屬墊片、碳化鎢底座和彈性墊圈，將兩個(gè)壓砧分別設(shè)置兩個(gè)在支撐環(huán)內(nèi)，金屬墊片中間設(shè)有一孔，金屬墊片位于兩個(gè)壓砧之間，兩個(gè)壓砧和金屬墊片的孔形成樣品腔，兩個(gè)壓砧分別固定在碳化鎢底座上，彈性墊圈設(shè)置在位于底部的壓砧的支撐環(huán)外側(cè)，位于頂部的壓砧通過碳化鎢底座固定在塞柱的凹腔內(nèi)，位于底部的壓砧通過碳化鎢底座固定在腔體座底部。
【專利說明】—種可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于高壓裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及了一種可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置，可將該實(shí)用新型應(yīng)用于研究靜高壓下剪切應(yīng)力對材料的晶體結(jié)構(gòu)及力學(xué)、物理和化學(xué)等性能的研究。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)不同于常壓的情況，從而發(fā)生結(jié)構(gòu)相變、物性變化及原子間的相互作用，合成出新型功能材料，甚至出現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，產(chǎn)生奇異的化學(xué)反應(yīng)。宇宙中的絕大部分物質(zhì)均處在高壓狀態(tài)下，因此高壓科學(xué)與技術(shù)可廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、地球科學(xué)、行星科學(xué)、材料學(xué)、新能源、國防及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。對頂砧高壓裝置、兩面頂高壓裝置、四面頂高壓裝置、六面頂高壓裝置及多級增壓裝置等這些靜高壓實(shí)驗(yàn)裝置，使人們可以在更高的溫度壓力條件下研究物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，在高壓科學(xué)研究中起著至關(guān)重要的作用。
[0003]在目前的靜高壓研究中，大部分產(chǎn)生的是靜水壓，也就是通過向樣品腔內(nèi)加入傳壓介質(zhì)，使剪切效應(yīng)能夠被忽略，但實(shí)際上剪切應(yīng)力是廣泛存在的，且在相變和物質(zhì)的分解時(shí)，有剪切應(yīng)力存在時(shí)更易發(fā)生。美國的Ma等(Yanzhang Ma et al.(2006) J.Phys.:Condens.Matter 18，S1075.)采用旋轉(zhuǎn)式金剛石對頂站研究了超高壓和強(qiáng)剪切作用下納米材料、礦物等凝聚態(tài)物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在將高壓同剪切效應(yīng)結(jié)合時(shí)，材料會(huì)發(fā)生許多奇異現(xiàn)象，從而為超高壓科學(xué)的未來發(fā)展提出了新方向。中國的專利“垂直與旋轉(zhuǎn)復(fù)合加壓式多砧壓機(jī)”(申請?zhí)?01210590703.6)通過使傳統(tǒng)的高壓裝置具備旋轉(zhuǎn)加壓功能，從而實(shí)現(xiàn)剪切作用下新材料的合成。以上的剪切裝置都是針對旋轉(zhuǎn)剪切作用的，而采用平移滑動(dòng)斜面產(chǎn)生剪切的高壓裝置至今未見報(bào)道。實(shí)際上平移滑動(dòng)剪切的作用是不容忽視的，尤其在對頂砧應(yīng)用較多的地球科學(xué)研究中，在造山帶地表中存有巨大擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的斷裂帶和剪切帶，形成各種斷層，如在平移斷層中，應(yīng)力是平移剪切應(yīng)力，而非旋轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力。本實(shí)用新型的目的是填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的空白，所提出的平移滑動(dòng)斜面產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的新技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)壓應(yīng)力與剪應(yīng)力的共同作用，并且剪切應(yīng)力可以均勻控制，剪切應(yīng)力幅度可以有效調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種可以產(chǎn)生壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置。采用該裝置可以研究超高壓力條件下剪切應(yīng)力對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響，尤其是壓剪作用這種極端情況下對物質(zhì)的相與形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)新奇物相，優(yōu)化新材料，同時(shí)與理論預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)展更適合極端條件的泛函和分子動(dòng)力學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和理論的匯聚。
[0005]實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為:一種可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置，包括加壓裝置系統(tǒng)和對頂壓砧樣品系統(tǒng)，對頂壓砧樣品系統(tǒng)設(shè)置在加壓裝置系統(tǒng)內(nèi)部，加壓裝置系統(tǒng)包括壓頭、腔體座和加載螺栓，壓頭設(shè)置在腔體座上方，通過N個(gè)對稱布置的加載螺栓將壓頭和腔體座固定在一起，N ≥ 4，并通過擰緊加載螺栓進(jìn)行加壓；壓頭由端頭和塞柱構(gòu)成，端頭設(shè)置在塞柱頂部，塞柱底部設(shè)有一凹腔，腔體座與塞柱的柱面構(gòu)成柱面導(dǎo)向副的圓柱筒，壓頭與腔體座通過此柱面導(dǎo)向副裝配在一起；其特征在于:對頂壓砧樣品系統(tǒng)包括對稱布置的兩個(gè)壓砧、支撐環(huán)、金屬墊片、碳化鎢底座和彈性墊圈，將兩個(gè)壓砧分別設(shè)置兩個(gè)在支撐環(huán)內(nèi)，金屬墊片中間設(shè)有一孔，金屬墊片位于兩個(gè)壓砧之間，兩個(gè)壓砧和金屬墊片的孔形成樣品腔，兩個(gè)壓砧分別固定在碳化鎢底座上，彈性墊圈設(shè)置在位于底部的壓砧的支撐環(huán)外側(cè)，位于頂部的壓砧通過碳化鎢底座固定在塞柱的凹腔內(nèi)，位于底部的壓砧通過碳化鎢底座固定在腔體座底部。
[0006]壓砧為錐體，在錐體的頂角上切出一個(gè)斜面，該斜面為壓砧的砧面，砧面與水平面成α角度，0° < α≤90° ,組成對頂站的兩個(gè)壓站站面相對，同軸布置,且站面互相平行，形成平移滑動(dòng)斜面。因此，這是一種壓剪復(fù)合加載技術(shù)。
[0007]在下壓砧支撐環(huán)外墊一圈彈性墊圈，其材質(zhì)為彈簧鋼或橡膠等，當(dāng)向頂砧施加高壓時(shí)，彈性墊圈的滑移會(huì)增加剪切作用力。
[0008]為了進(jìn)一步增大剪切應(yīng)力，在基本同軸布置的基礎(chǔ)上，采用預(yù)偏心技術(shù)，使滑移面有更大的位移。
[0009]根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)對壓力大小要求的不同，可以選用強(qiáng)度、硬度和韌性等不同的材料制作對頂壓砧，兼容多種類型的壓砧。壓砧的材料為單晶金剛石、碳化硅、二氧化鋯、三氧化二鋁、碳化鎢或納米金剛石超硬復(fù)合材料中的一種。當(dāng)其材質(zhì)為碳化硅時(shí)，其壓砧砧面可較大，有利于操作，允許使用和測量大面積或體積的樣品。
[0010]由于壓砧的砧面為斜面，墊片可能會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，為了固定金屬墊片，可使其橫截面積略大于壓站面橫截面積，并收口于下壓站面。
[0011]金屬墊片材料為硬質(zhì)不銹鋼Τ301、金屬Pt、Mo、Ta或Re中的一種。
[0012]在壓頭上設(shè)置一通孔，在腔體座底部設(shè)置一錐形孔，通孔、錐形孔和壓砧位于同一條軸線，利于透光，用于在紅寶石標(biāo)定壓力時(shí)采集光譜。
[0013]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):本實(shí)用新型所提出的平移滑動(dòng)斜面產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的新技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)壓應(yīng)力與剪應(yīng)力的共同作用，并且剪切應(yīng)力可以均勻控制，剪切應(yīng)力幅度可以有效調(diào)節(jié)，技術(shù)優(yōu)點(diǎn)好于旋轉(zhuǎn)式剪切裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是帶平移滑動(dòng)斜面的對頂砧結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是壓剪復(fù)合應(yīng)力加載示意圖，外界作用力F，通過斜面可以分解為垂直于斜面的作用力F。= Fcosa，用于產(chǎn)生壓應(yīng)力，以及平行于斜面的作用力Ft = Fsina，用于產(chǎn)生剪切應(yīng)力。
[0016]圖3是本實(shí)用新型的對頂壓砧樣品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4是本實(shí)用新型的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0020]實(shí)施例1壓砧I的加工[0021]根據(jù)實(shí)驗(yàn)對壓力大小和壓砧I砧面大小的要求，采用碳化硅作為壓砧I制作材料。壓砧I為錐體，在錐體的頂角上切出一個(gè)斜面，該斜面為壓砧I的砧面，砧面與水平面成30°角。砧面相對的兩壓砧I分別安裝在塞柱6和腔體座9端面凹腔內(nèi)，組成對頂砧的兩個(gè)壓砧I砧面相對，同軸布置，且砧面互相平行。在壓砧I外設(shè)置支撐環(huán)2，壓砧I與支撐環(huán)2接觸面與水平線并非完全垂直，有2?5°夾角，通過此過盈配合對壓砧I施加側(cè)向的預(yù)應(yīng)力保護(hù)，防止壓砧I在高壓下?lián)p壞。
[0022]實(shí)施例2墊片4的制作
[0023]選擇硬質(zhì)不銹鋼T301作金屬墊片4材料。由于壓砧I的砧面為斜面，為了固定墊片4，可使其橫截面積略大于壓砧面橫截面積，并收口于下壓砧面，。
[0024]用對頂砧將墊片4預(yù)壓至厚度約為40 μ m,在墊片4上會(huì)留下壓砧I砧面壓痕。利用激光打孔機(jī)在壓砧I砧面壓痕處打孔，即壓砧I和墊片4之間形成了樣品腔3，作為研究對象的物質(zhì)或材料即放在此樣品腔3內(nèi)施加高壓進(jìn)行研究。樣品腔3的截面積約是300 μ m。
[0025]將壓砧1、密封墊片4及支撐環(huán)2作為一個(gè)獨(dú)立的整體一對頂壓砧樣品系統(tǒng)的目的，是為了適應(yīng)測量功能要求的多樣化要求，如頂砧傾斜角的大小，臺(tái)面傾斜角和大小，壓砧I的材質(zhì)和尺寸，墊片4的材質(zhì)和尺寸等。對于不同的研究對象,測試要求都會(huì)有變化，由于對頂壓砧樣品系統(tǒng)是獨(dú)立的整體，就可以通過該系統(tǒng)中各零件的協(xié)調(diào)調(diào)整來解決，而無須重新加工或改裝容器的機(jī)械裝置，有助于高壓容器的定型化與多能化，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。
[0026]實(shí)施例3壓剪應(yīng)力的施加
[0027]壓力加載采用4個(gè)對稱設(shè)置的螺紋副機(jī)械加載系統(tǒng)，由與腔體座或壓頭上的螺紋孔配合構(gòu)成加載螺紋副的加載螺栓8和彈性墊構(gòu)成。在調(diào)整過兩個(gè)壓砧I的相對位置之后，通過旋擰兩組加載螺栓8，依靠螺栓向下旋進(jìn)的推力使壓砧I靠近來壓縮樣品腔3中的樣品。由于壓砧I為斜面，通過斜面可以分解為垂直于斜面的作用力壓應(yīng)力和平行于斜面的剪切應(yīng)力。同時(shí)彈簧鋼材質(zhì)的彈性墊圈10的滑移會(huì)增加剪切作用力。壓力大小可以通過紅寶石壓標(biāo)確定。
[0028]由于在研究壓剪作用時(shí)不需要過高的壓力，且在對頂砧中的樣品很小，因此一般情況下手動(dòng)操作本實(shí)用新型的加壓裝置即可完成加壓。如果對壓力有更高的要求，也可將本加壓系統(tǒng)置于液壓加載裝置上進(jìn)一步加壓。
【權(quán)利要求】
1.一種可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置，包括加壓裝置系統(tǒng)和對頂壓砧樣品系統(tǒng)，對頂壓砧樣品系統(tǒng)設(shè)置在加壓裝置系統(tǒng)內(nèi)部，加壓裝置系統(tǒng)包括壓頭、腔體座(9)和加載螺栓(8)，壓頭設(shè)置在腔體座(9)上方，通過N個(gè)對稱布置的加載螺栓(8)將壓頭和腔體座(9)固定在一起，N ^ 4，并通過擰緊加載螺栓(8)進(jìn)行加壓；壓頭由端頭(5)和塞柱(6)構(gòu)成，端頭(5)設(shè)置在塞柱(6)頂部,塞柱(6)底部設(shè)有一凹腔，腔體座(9)與塞柱(6)的柱面構(gòu)成柱面導(dǎo)向副的圓柱筒，壓頭與腔體座(9)通過此柱面導(dǎo)向副裝配在一起；其特征在于:對頂壓砧樣品系統(tǒng)包括對稱布置的兩個(gè)壓砧(I)、支撐環(huán)(2)、金屬墊片(4)、碳化鎢底座(7)和彈性墊圈(10)，將兩個(gè)壓砧(I)分別設(shè)置兩個(gè)在支撐環(huán)(2)內(nèi)，金屬墊片(4)中間設(shè)有一孔，金屬墊片(4)位于兩個(gè)壓砧(I)之間，兩個(gè)壓砧(I)和金屬墊片(4)的孔形成樣品腔(3)，兩個(gè)壓砧(I)分別固定在碳化鎢底座(7)上，彈性墊圈(10)設(shè)置在位于底部的壓砧(I)的支撐環(huán)(2)外側(cè)，位于頂部的壓砧(I)通過碳化鎢底座(7)固定在塞柱(6)的凹腔內(nèi)，位于底部的壓砧(I)通過碳化鎢底座(7 )固定在腔體座(9 )底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置，其特征在于:壓砧(I)為錐體，在錐體的頂角上切出一個(gè)斜面，該斜面為壓砧(I)的砧面，砧面與水平面成α角度，0° < α <90°，組成對頂砧的兩個(gè)壓砧(I)砧面相對，同軸布置，且砧面互相平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置，其特征在于:壓砧(I)的材料為單晶金剛石、碳化硅、二氧化鋯、三氧化二鋁、碳化鎢或納米金剛石超硬復(fù)合材料中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置，其特征在于:由于壓砧(I)的砧面為斜面，為了固定金屬墊片(4)，可使其橫截面積略大于壓砧面橫截面積，并收口于下壓砧面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置，其特征在于:金屬墊片(4)材料為硬質(zhì)不銹鋼Τ301、金屬Pt、Mo、Ta或Re中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置，其特征在于:彈性墊圈(10)的材質(zhì)為彈簧鋼或橡膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可以產(chǎn)生壓剪復(fù)合加載的對頂砧高壓裝置，其特征在于:在壓頭上設(shè)置一通孔，在腔體座(9)底部設(shè)置一錐形孔，通孔、錐形孔和壓砧(I)位于同一條軸線，利于透光。
【文檔編號】B01J3/06GK203507963SQ201320576111
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】劉彥, 賀雪菁, 賀端威 申請人:南京理工大學(xué)