一種可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置製造方法

2023-07-22 08:47:51

一種可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置，包括加壓裝置系統和對頂壓砧樣品系統，對頂壓砧樣品系統設置在加壓裝置系統內部，加壓裝置系統包括壓頭、腔體座和加載螺栓，壓頭設置在腔體座上方；壓頭由端頭和塞柱構成，端頭設在塞柱頂部；對頂壓砧樣品系統包括對稱布置的兩個壓砧、支撐環、金屬墊片、碳化鎢底座和彈性墊圈，將兩個壓砧分別設置兩個在支撐環內，金屬墊片中間設有一孔，金屬墊片位於兩個壓砧之間，兩個壓砧和金屬墊片的孔形成樣品腔，兩個壓砧分別固定在碳化鎢底座上，彈性墊圈設置在位於底部的壓砧的支撐環外側，位於頂部的壓砧通過碳化鎢底座固定在塞柱的凹腔內，位於底部的壓砧通過碳化鎢底座固定在腔體座底部。
【專利說明】—種可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於高壓裝置【技術領域】，特別涉及了一種可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置，可將該實用新型應用於研究靜高壓下剪切應力對材料的晶體結構及力學、物理和化學等性能的研究。
【背景技術】
[0002]高壓會導致物質的晶體結構不同於常壓的情況，從而發生結構相變、物性變化及原子間的相互作用，合成出新型功能材料，甚至出現新的物理現象，產生奇異的化學反應。宇宙中的絕大部分物質均處在高壓狀態下，因此高壓科學與技術可廣泛應用於物理、化學、地球科學、行星科學、材料學、新能源、國防及生物醫學等領域。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驗裝置，使人們可以在更高的溫度壓力條件下研究物質的晶體結構和物理性質，在高壓科學研究中起著至關重要的作用。
[0003]在目前的靜高壓研究中，大部分產生的是靜水壓，也就是通過向樣品腔內加入傳壓介質，使剪切效應能夠被忽略，但實際上剪切應力是廣泛存在的，且在相變和物質的分解時，有剪切應力存在時更易發生。美國的Ma等(Yanzhang Ma et al.(2006) J.Phys.:Condens.Matter 18，S1075.)採用旋轉式金剛石對頂站研究了超高壓和強剪切作用下納米材料、礦物等凝聚態物質的相結構和性質，發現在將高壓同剪切效應結合時，材料會發生許多奇異現象，從而為超高壓科學的未來發展提出了新方向。中國的專利「垂直與旋轉複合加壓式多砧壓機」(申請號201210590703.6)通過使傳統的高壓裝置具備旋轉加壓功能，從而實現剪切作用下新材料的合成。以上的剪切裝置都是針對旋轉剪切作用的，而採用平移滑動斜面產生剪切的高壓裝置至今未見報導。實際上平移滑動剪切的作用是不容忽視的，尤其在對頂砧應用較多的地球科學研究中，在造山帶地表中存有巨大擠壓應力和剪切應力的斷裂帶和剪切帶，形成各種斷層，如在平移斷層中，應力是平移剪切應力，而非旋轉剪切應力。本實用新型的目的是填補現有技術的空白，所提出的平移滑動斜面產生壓剪複合加載的新技術，可以實現壓應力與剪應力的共同作用，並且剪切應力可以均勻控制，剪切應力幅度可以有效調節。

【發明內容】

[0004]本實用新型的目的在於提供一種可以產生壓應力和剪切應力複合加載的對頂砧高壓裝置。採用該裝置可以研究超高壓力條件下剪切應力對材料結構和性能的影響，尤其是壓剪作用這種極端情況下對物質的相與形態的影響，發現新奇物相，優化新材料，同時與理論預測的結果進行對比，發展更適合極端條件的泛函和分子動力學理論，實現實驗和理論的匯聚。
[0005]實現本實用新型目的的技術解決方案為:一種可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置，包括加壓裝置系統和對頂壓砧樣品系統，對頂壓砧樣品系統設置在加壓裝置系統內部，加壓裝置系統包括壓頭、腔體座和加載螺栓，壓頭設置在腔體座上方，通過N個對稱布置的加載螺栓將壓頭和腔體座固定在一起，N ≥ 4，並通過擰緊加載螺栓進行加壓；壓頭由端頭和塞柱構成，端頭設置在塞柱頂部，塞柱底部設有一凹腔，腔體座與塞柱的柱面構成柱面導向副的圓柱筒，壓頭與腔體座通過此柱面導向副裝配在一起；其特徵在於:對頂壓砧樣品系統包括對稱布置的兩個壓砧、支撐環、金屬墊片、碳化鎢底座和彈性墊圈，將兩個壓砧分別設置兩個在支撐環內，金屬墊片中間設有一孔，金屬墊片位於兩個壓砧之間，兩個壓砧和金屬墊片的孔形成樣品腔，兩個壓砧分別固定在碳化鎢底座上，彈性墊圈設置在位於底部的壓砧的支撐環外側，位於頂部的壓砧通過碳化鎢底座固定在塞柱的凹腔內，位於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° ,組成對頂站的兩個壓站站面相對，同軸布置,且站面互相平行，形成平移滑動斜面。因此，這是一種壓剪複合加載技術。
[0007]在下壓砧支撐環外墊一圈彈性墊圈，其材質為彈簧鋼或橡膠等，當向頂砧施加高壓時，彈性墊圈的滑移會增加剪切作用力。
[0008]為了進一步增大剪切應力，在基本同軸布置的基礎上，採用預偏心技術，使滑移面有更大的位移。
[0009]根據不同的實驗對壓力大小要求的不同，可以選用強度、硬度和韌性等不同的材料製作對頂壓砧，兼容多種類型的壓砧。壓砧的材料為單晶金剛石、碳化矽、二氧化鋯、三氧化二鋁、碳化鎢或納米金剛石超硬複合材料中的一種。當其材質為碳化矽時，其壓砧砧面可較大，有利於操作，允許使用和測量大面積或體積的樣品。
[0010]由於壓砧的砧面為斜面，墊片可能會發生滑動，為了固定金屬墊片，可使其橫截面積略大於壓站面橫截面積，並收口於下壓站面。
[0011]金屬墊片材料為硬質不鏽鋼Τ301、金屬Pt、Mo、Ta或Re中的一種。
[0012]在壓頭上設置一通孔，在腔體座底部設置一錐形孔，通孔、錐形孔和壓砧位於同一條軸線，利於透光，用於在紅寶石標定壓力時採集光譜。
[0013]本實用新型與現有技術相比，其顯著優點:本實用新型所提出的平移滑動斜面產生壓剪複合加載的新技術，可以實現壓應力與剪應力的共同作用，並且剪切應力可以均勻控制，剪切應力幅度可以有效調節，技術優點好於旋轉式剪切裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是帶平移滑動斜面的對頂砧結構示意圖。
[0015]圖2是壓剪複合應力加載示意圖，外界作用力F，通過斜面可以分解為垂直於斜面的作用力F。= Fcosa，用於產生壓應力，以及平行於斜面的作用力Ft = Fsina，用於產生剪切應力。
[0016]圖3是本實用新型的對頂壓砧樣品系統結構示意圖。
[0017]圖4是本實用新型的剖面結構示意圖。
[0018]【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。
[0020]實施例1壓砧I的加工[0021]根據實驗對壓力大小和壓砧I砧面大小的要求，採用碳化矽作為壓砧I製作材料。壓砧I為錐體，在錐體的頂角上切出一個斜面，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，組成對頂砧的兩個壓砧I砧面相對，同軸布置，且砧面互相平行。在壓砧I外設置支撐環2，壓砧I與支撐環2接觸面與水平線並非完全垂直，有2?5°夾角，通過此過盈配合對壓砧I施加側向的預應力保護，防止壓砧I在高壓下損壞。
[0022]實施例2墊片4的製作
[0023]選擇硬質不鏽鋼T301作金屬墊片4材料。由於壓砧I的砧面為斜面，為了固定墊片4，可使其橫截面積略大於壓砧面橫截面積，並收口於下壓砧面，。
[0024]用對頂砧將墊片4預壓至厚度約為40 μ m,在墊片4上會留下壓砧I砧面壓痕。利用雷射打孔機在壓砧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或材料即放在此樣品腔3內施加高壓進行研究。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2作為一個獨立的整體一對頂壓砧樣品系統的目的，是為了適應測量功能要求的多樣化要求，如頂砧傾斜角的大小，臺面傾斜角和大小，壓砧I的材質和尺寸，墊片4的材質和尺寸等。對於不同的研究對象,測試要求都會有變化，由於對頂壓砧樣品系統是獨立的整體，就可以通過該系統中各零件的協調調整來解決，而無須重新加工或改裝容器的機械裝置，有助於高壓容器的定型化與多能化，節約實驗成本。
[0026]實施例3壓剪應力的施加
[0027]壓力加載採用4個對稱設置的螺紋副機械加載系統，由與腔體座或壓頭上的螺紋孔配合構成加載螺紋副的加載螺栓8和彈性墊構成。在調整過兩個壓砧I的相對位置之後，通過旋擰兩組加載螺栓8，依靠螺栓向下旋進的推力使壓砧I靠近來壓縮樣品腔3中的樣品。由於壓砧I為斜面，通過斜面可以分解為垂直於斜面的作用力壓應力和平行於斜面的剪切應力。同時彈簧鋼材質的彈性墊圈10的滑移會增加剪切作用力。壓力大小可以通過紅寶石壓標確定。
[0028]由於在研究壓剪作用時不需要過高的壓力，且在對頂砧中的樣品很小，因此一般情況下手動操作本實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，也可將本加壓系統置於液壓加載裝置上進一步加壓。
【權利要求】
1.一種可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置，包括加壓裝置系統和對頂壓砧樣品系統，對頂壓砧樣品系統設置在加壓裝置系統內部，加壓裝置系統包括壓頭、腔體座(9)和加載螺栓(8)，壓頭設置在腔體座(9)上方，通過N個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，並通過擰緊加載螺栓(8)進行加壓；壓頭由端頭(5)和塞柱(6)構成，端頭(5)設置在塞柱(6)頂部,塞柱(6)底部設有一凹腔，腔體座(9)與塞柱(6)的柱面構成柱面導向副的圓柱筒，壓頭與腔體座(9)通過此柱面導向副裝配在一起；其特徵在於:對頂壓砧樣品系統包括對稱布置的兩個壓砧(I)、支撐環(2)、金屬墊片(4)、碳化鎢底座(7)和彈性墊圈(10)，將兩個壓砧(I)分別設置兩個在支撐環(2)內，金屬墊片(4)中間設有一孔，金屬墊片(4)位於兩個壓砧(I)之間，兩個壓砧(I)和金屬墊片(4)的孔形成樣品腔(3)，兩個壓砧(I)分別固定在碳化鎢底座(7)上，彈性墊圈(10)設置在位於底部的壓砧(I)的支撐環(2)外側，位於頂部的壓砧(I)通過碳化鎢底座(7)固定在塞柱(6)的凹腔內，位於底部的壓砧(I)通過碳化鎢底座(7 )固定在腔體座(9 )底部。
2.根據權利要求1所述的可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置，其特徵在於:壓砧(I)為錐體，在錐體的頂角上切出一個斜面，該斜面為壓砧(I)的砧面，砧面與水平面成α角度，0° < α <90°，組成對頂砧的兩個壓砧(I)砧面相對，同軸布置，且砧面互相平行。
3.根據權利要求1或2所述的可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置，其特徵在於:壓砧(I)的材料為單晶金剛石、碳化矽、二氧化鋯、三氧化二鋁、碳化鎢或納米金剛石超硬複合材料中的一種。
4.根據權利要求1或2所述的可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置，其特徵在於:由於壓砧(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於壓砧面橫截面積，並收口於下壓砧面。
5.根據權利要求4所述的可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置，其特徵在於:金屬墊片(4)材料為硬質不鏽鋼Τ301、金屬Pt、Mo、Ta或Re中的一種。
6.根據權利要求1所述的可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置，其特徵在於:彈性墊圈(10)的材質為彈簧鋼或橡膠。
7.根據權利要求1所述的可以產生壓剪複合加載的對頂砧高壓裝置，其特徵在於:在壓頭上設置一通孔，在腔體座(9)底部設置一錐形孔，通孔、錐形孔和壓砧(I)位於同一條軸線，利於透光。
【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 優先權日:2013年9月17日
【發明者】劉彥, 賀雪菁, 賀端威 申請人:南京理工大學