一種頂錘-預密封邊高壓裝置的製作方法

2023-06-04 15:08:51

專利名稱：一種頂錘-預密封邊高壓裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種頂錘-預密封邊高壓裝置，具體的說，是在金剛石和立方氮化硼 及其複合材料合成時使用的大腔體靜高壓裝置，屬於超硬材料生產中的高壓設備領域。
背景技術：
壓力和溫度一樣是決定物質存在狀態的基本熱力學要素，在高壓極端條件下，許 多物質會出現新的結構和新的性質。因此，高壓被廣泛應用於材料、地學、行星科學、國防等 研究領域。六面頂壓機是產生超高壓力的裝置之一，廣泛應用於國內外科研院所和超硬材 料生產領域。六面頂壓機包括拉杆式六面頂壓機、鉸鏈式六面頂壓機以及基於兩面頂壓機 構架的六面頂壓機。其中拉杆式六面頂壓機和基於兩面頂壓機構架的六面頂壓機分別因造 價高和壓力產生效率較低而基本不用於工業生產。具統計，2007年中國金剛石產量近44億 克拉，約佔世界市場的80% (鄒廣田，《第五屆鄭州國際超硬材料及製品研討會論文集》序 言。12008)，這些金剛石基本是用鉸鏈式六面頂壓機生產的。現在工業中六面頂壓機所使用的壓力產生單元是由六個同步的碳化鎢頂錘和可 容納樣品材料的葉蠟石傳壓介質所組成。在使用此種增壓單元時，六面頂壓機所能產生的 最高壓力始終沒有突破6GPa。在腔體壓力超過5GPa時，六面頂壓機壓力產生效率將急劇 下降，大部分的加載被消耗在葉蠟石密封邊上，如果繼續加壓將會破壞頂錘而使試驗和生 產成本大大提高(LeiMing Fang，Duanwei He et al.，High Pressure Research. 27，367 2007)。但是，某些重要的物質和工業生產材料，例如金剛石聚晶(PCD)和立方氮化硼複合 片(PCBN)，在6-8GPa這個壓力範圍內會出現一些新的性能，例如金剛石顆粒在壓力達到 6-8GPa時會發生更多的塑性形變，使顆粒的界面充分接觸從而能在金剛石顆粒之間形成大 量的D-D建合，得到高相對密度、高硬度、高耐磨性的金剛石複合材料；在壓力達到約SGPa 時，立方氮化硼顆粒之間會形成B-N鍵，從而可得到更高硬度的、透明的，立方氮化硼複合 材料(J· Qian et al. , J. Mater. Res. 17, 2153 2002。Takashi Taniguchi, Minoru Akaishi, and ShinobuYamaoka, H. J. Mater. Res. 14,162 1999。YWang, G A Voronin, TWZerda,and A Winiarski, H. Herberhold, J. Phys. =Condens. Matter. 18,275 2006)。然而基於六面頂壓 機以碳化鎢為頂錘材料葉蠟石為傳壓介質能夠產生6-8GPa壓力且不減小樣品腔體的壓力 產生裝置還未見報導。

發明內容
本發明的目的是針對現有裝置技術的不足，而提供一種頂錘_預密封邊高壓裝置 壓，其特點是該裝置壓力產生效率比現有裝置提高30%以上，以碳化鎢為頂錘材料葉蠟石 為傳壓介質，基本不改變樣品腔體大小的情況下可使六面頂壓機的極限壓力由6GPa提高 至8GPa，在使用金剛石、立方氮化硼、硼六氧多晶燒結體等超硬材料作為頂錘材料時，壓力 可達到約15GPa。本發明的目的由以下技術措施實現
頂錘-預密封邊高壓裝置包括六面頂壓機同步驅動的六個頂錘，六個四稜台與帶 有十二條預密封邊的傳壓介質合成塊組成的增壓單元。增壓單元置入由六個頂錘圍合而成 的高壓腔內。根據合成塊面與釘錘面大小不同，預密封邊的長度應大於2mm。為了形成更加均勻的密封邊而保護頂錘和四俊臺在高壓下不被破壞，頂錘的錘面 不應超過四稜台的底面，頂錘的錘面與四稜台的底面之間的比例為1 0. 2 1。為了使適量的傳壓介質流出充當密封邊，增壓單元作用面的邊長應比頂錘錘面邊 長長出3 20mm，四稜台小斜邊的角度與頂錘斜邊的角度相差(大於或小於)不應超過 5° 0為了獲得更高的壓力，四稜台的材料為碳化鎢、三氧化二鋁、碳化矽、金剛石、立方 氮化硼、硼六氧多晶體或它們的複合材料中的任一種。本發明所述的頂錘-預密封邊高壓裝置與現有的六面頂壓機的增壓裝置相比，具 有如下優點1、本發明增壓單元中設有的預密封邊，使合成塊內的壓力分布更均勻，有利於合 成出性能更優越的目標材料。2、由於增壓單元中設有預密封邊，使得樣品腔周圍的傳壓介質相對較少的流動而 參與密封邊的形成，這樣就可以在合成塊內設計相對較大的樣品腔。3、在不減小樣品腔體的前提下，使壓力產生效率比現有裝置提高約30%，整體性 能優於現有同類裝置。4、在不減小樣品腔體的前提下，在使用碳化鎢作為頂錘材料葉蠟石作為傳壓介質 時，使六面頂壓機極限壓力從原有裝置的6GPa提高至8GPa。5、從力學角度講，由於頂錘-預密封邊高壓裝置預密封邊的存在，在壓力形成過 程中，四稜台及六個頂錘之間將形成更大面積的密封邊。在高壓階段分布在頂錘斜邊附近 的平均應力比較小，有利於延長頂錘的使用壽命，從而降低了生產成本，提高了經濟效益。6、本裝置中的四稜台可與六面頂壓機頂錘分開，四稜台可以靈活採用不同的材質 來獲得更高的壓力，巧妙地規避了金剛石、立方氮化硼、硼六氧等超硬材料多晶體難以製備 成大體積六面頂壓機頂錘的技術瓶頸，製備出的超硬材質的四稜台與碳化鎢頂錘相匹配， 在不減小樣品腔的前提下獲得更高的壓力。


附圖1為頂錘-預密封邊高壓裝置的立體圖附圖2為頂錘-預密封邊高壓裝置平面圖附圖3為增壓單元的立體圖附圖4為增壓單元的平面圖附圖5為增壓單元中四稜台的立體圖。1頂錘，2合成塊，3合成塊所帶的預密封邊，4增壓單元中的四稜台，5四稜台的小 斜邊，6四稜台與合成塊組成的增壓單元。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明進行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只對於本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，該領域的技術熟練人員可 以根據上述本發明的內容作出一些非本質的改進和調整。實施例如圖1 5所示，本發明具有結構簡單、裝配容易的特點，而且可根據需要更換不 同材質的四稜台。四稜台底面亦可與頂錘錘面製成一體式。四稜台亦可製成正方體和圓柱 體。該裝置包括由六面頂壓機同步驅動的六個頂錘1，六個四稜台4與帶有十二條預密封 邊3的傳壓介質合成塊2組成的增壓單元6。增壓單元6放入由六個頂錘1組成的高壓腔 內。其中頂錘1的材質為碳化鎢硬質合金，為了使適量的傳壓介質充當密封邊來保護頂錘 1和四稜台4，頂錘錘面最好等於四稜台底面，增壓單元作用面邊長比頂錘錘面邊長最好長 出11mm，預密封邊的長度最好為6mm，四稜台小斜邊5的斜角最好與頂錘2的斜角相同。本發明是這樣實現的將增壓單元6放入由六個頂錘1組成的高壓腔內，六面頂壓機的液壓系統同步驅 動六個頂錘至增壓單元作用面，頂錘繼續推進，增壓單元被壓縮，合成塊2內形成高壓。此 時，預密封邊3被擠壓擴展至六個頂錘之間，避免六個頂錘發生碰撞。當液壓到達設定值 時，六個頂錘停止運動，進行保壓。目標材料合成完畢後，操作壓機使六個頂錘回至初始位 置，取出合成塊。本發明所述的頂錘_預密封邊高壓裝置的加溫系統工作原理為六面頂上相對的 兩個頂錘1與電源的兩端相連，頂錘再與增壓單元6上與合成塊內加熱元件連通的兩個相 對的四稜台4接觸，這樣電源、頂錘、四稜台與合成塊內的加熱元件就組成閉合的迴路。通 過調節發熱元件的電功率，對原材料合成溫度進行控制。
權利要求
一種頂錘-預密封邊高壓裝置，特徵在於該裝置包括六面頂壓機同步驅動的六個頂錘(1)，六個四稜台(4)與帶有十二條預密封邊(3)的傳壓介質合成塊(2)組成的增壓單元(6)，增壓單元(6)置入由六個頂錘(1)圍合而成的高壓腔內。
2.根據權利要求1所述頂錘_預密封邊高壓裝置，其特徵在於所述傳壓介質合成塊 (2)帶有十二條預密封邊(3)，預密封邊(3)的長度應大於2mm。
3.根據權利要求1所述頂錘-預密封邊高壓裝置，其特徵在於所述四稜台(4)的底面 與頂錘(1)的錘面亦可製成一體式。
4.根據權利要求1所述頂錘-預密封邊高壓裝置，其特徵在於所述頂錘(1)作用於增 壓單元的錘面大於或等於所述四稜台(4)的底面。
5.根據權利要求4所述頂錘-預密封邊高壓裝置，其特徵在於所述頂錘(1)作用於增 壓單元的錘面尺寸所述四稜台底面尺寸=1 1 0.2。
6.根據權利要求1所述頂錘-預密封邊高壓裝置，其特徵在於所述六個四稜台(4)與 傳壓介質合成塊(2)組成增壓單元(6)的作用面大於所述頂錘(1)的錘面。
7.根據權利要求1所述頂錘-預密封邊高壓裝置，其特徵在於所述四稜台(4)的材料 可選自碳化鎢、三氧化二鋁、碳化矽、金剛石、立方氮化硼、硼六氧多晶體或它們的任一種復 合材料中的任一種。
8.根據權利要求1所述頂錘-預密封邊高壓裝置，其特徵在於所述四稜台(4)亦可制 成正方體或圓柱體。
全文摘要
本發明公開了一種頂錘-預密封邊高壓裝置，其特點是該裝置包括六面頂壓機同步驅動的六個頂錘(1)，六個四稜台(4)與帶有十二條預密封邊(3)的傳壓介質合成塊(2)組成的增壓單元(6)。增壓單元(6)放入由六面頂壓機六個頂錘(1)組成的高壓腔內。本裝置與現有的六面頂壓機的增壓裝置相比，具有壓力分布更均勻，樣品腔更大，可延長頂錘使用壽命等優點。並使壓力產生效率比現有裝置提高了30％，壓力極限由6GPa提高至8GPa。
文檔編號B01J3/06GK101804313SQ20101014280
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者寇自力, 彭放, 王文丹, 王海闊, 譚寧, 賀端威 申請人:四川大學