一种可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置，由对顶压砧样品系统和加压装置系统两部分组成。组成对顶砧的两个压砧相对，互相平行，但表面倾斜，与水平面成一角度，在基本同轴布置的基础上，采用预偏心技术，使滑移面有更大的位移，同时弹性垫圈的滑移也会加强剪切应力的影响。可将该发明应用于研究静高压下剪切应力对材料的结构及力学、物理和化学等性能的影响研究。
【专利说明】—种可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置
【技术领域】
[0001]本发明属于高压装置【技术领域】，特别涉及了一种可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置，可将该发明应用于研究静高压下剪切应力对材料的晶体结构及力学、物理和化学等性能的研究。
【背景技术】
[0002]高压会导致物质的晶体结构不同于常压的情况，从而发生结构相变、物性变化及原子间的相互作用，合成出新型功能材料，甚至出现新的物理现象，产生奇异的化学反应。宇宙中的绝大部分物质均处在高压状态下，因此高压科学与技术可广泛应用于物理、化学、地球科学、行星科学、材料学、新能源、国防及生物医学等领域。对顶砧高压装置、两面顶高压装置、四面顶高压装置、六面顶高压装置及多级增压装置等这些静高压实验装置，使人们可以在更高的温度压力条件下研究物质的晶体结构和物理性质，在高压科学研究中起着至关重要的作用。
[0003]在目前的静高压研究中，大部分产生的是静水压，也就是通过向样品腔内加入传压介质，使剪切效应能够被忽略，但实际上剪切应力是广泛存在的，且在相变和物质的分解时，有剪切应力存在时更易发生。美国的Ma等(Yanzhang Ma et al.(2006) J.Phys.:Condens.Matter 18，S1075.)采用旋转式金刚石对顶站研究了超高压和强剪切作用下纳米材料、矿物等凝聚态物质的相结构和性质，发现在将高压同剪切效应结合时，材料会发生许多奇异现象，从而为超高压科学的未来发展提出了新方向。中国的专利“垂直与旋转复合加压式多砧压机”(申请号201210590703.6)通过使传统的高压装置具备旋转加压功能，从而实现剪切作用下新材料的合成。以上的剪切装置都是针对旋转剪切作用的，而采用平移滑动斜面产生剪切的高压装置至今未见报道。实际上平移滑动剪切的作用是不容忽视的，尤其在对顶砧应用较多的地球科学研究中，在造山带地表中存有巨大挤压应力和剪切应力的断裂带和剪切带，形成各种断层，如在平移断层中，应力是平移剪切应力，而非旋转剪切应力。本发明的目的是填补现有技术的空白，所提出的平移滑动斜面产生压剪复合加载的新技术，可以实现压应力与剪应力的共同作用，并且剪切应力可以均匀控制，剪切应力幅度可以有效调节。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种可以产生压应力和剪切应力复合加载的对顶砧高压装置。采用该装置可以研究超高压力条件下剪切应力对材料结构和性能的影响，尤其是压剪作用这种极端情况下对物质的相与形态的影响，发现新奇物相，优化新材料，同时与理论预测的结果进行对比，发展更适合极端条件的泛函和分子动力学理论，实现实验和理论的汇聚。
[0005]实现本发明目的的技术解决方案为:一种可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置，包括加压装置系统和对顶压砧样品系统，对顶压砧样品系统设置在加压装置系统内部，加压装置系统包括压头、腔体座和加载螺栓，压头设置在腔体座上方，通过N个对称布置的加载螺栓将压头和腔体座固定在一起，N ^ 4，并通过拧紧加载螺栓进行加压；压头由端头和塞柱构成，端头设置在塞柱顶部，塞柱底部设有一凹腔，腔体座与塞柱的柱面构成柱面导向副的圆柱筒，压头与腔体座通过此柱面导向副装配在一起；其特征在于:对顶压砧样品系统包括对称布置的两个压砧、支撑环、金属垫片、碳化钨底座和弹性垫圈，将两个压砧分别设置两个在支撑环内，金属垫片中间设有一孔，金属垫片位于两个压砧之间，两个压砧和金属垫片的孔形成样品腔，两个压砧分别固定在碳化钨底座上，弹性垫圈设置在位于底部的压砧的支撑环外侧，位于顶部的压砧通过碳化钨底座固定在塞柱的凹腔内，位于底部的压砧通过碳化钨底座固定在腔体座底部。
[0006]压砧为锥体，在锥体的顶角上切出一个斜面，该斜面为压砧的砧面，砧面与水平面成α角度，0° < α <90° ,组成对顶站的两个压站站面相对，同轴布置,且站面互相平行，形成平移滑动斜面。因此，这是一种压剪复合加载技术。
[0007]在下压砧支撑环外垫一圈弹性垫圈，其材质为弹簧钢或橡胶等，当向顶砧施加高压时，弹性垫圈的滑移会增加剪切作用力。
[0008]为了进一步增大剪切应力，在基本同轴布置的基础上，采用预偏心技术，使滑移面有更大的位移。
[0009]根据不同的实验对压力大小要求的不同，可以选用强度、硬度和韧性等不同的材料制作对顶压砧，兼容多种类型的压砧。压砧材料可为单晶金刚石、碳化硅、二氧化锆、三氧化二铝、碳化钨或纳米金刚石超硬复合材料等。当其材质为碳化硅时，其压砧砧面可较大，有利于操作，允许使用和测量大面积或体积的样品。
[0010]由于压砧的砧面为斜面，垫片可能会发生滑动，为了固定金属垫片，可使其横截面积略大于压站面横截面积，并收口于下压站面。
[0011]金属垫片材料为Inconel合金625、Inconel合金1750、硬质不锈钢Τ301、含碳量为I %的弹簧钢、金属Pt、Mo、Ta或Re。
[0012]在压头上设置一通孔，在腔体座底部设置一锥形孔，通孔、锥形孔和压砧位于同一条轴线，利于透光，用于在红宝石标定压力时采集光谱。
[0013]本发明与现有技术相比，其显著优点:本发明所提出的平移滑动斜面产生压剪复合加载的新技术，可以实现压应力与剪应力的共同作用，并且剪切应力可以均匀控制，剪切应力幅度可以有效调节，技术优点好于旋转式剪切装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是带平移滑动斜面的对顶砧结构示意图。
[0015]图2是压剪复合应力加载示意图，外界作用力F，通过斜面可以分解为垂直于斜面的作用力F。= Fcosa，用于产生压应力，以及平行于斜面的作用力Ft = Fsina，用于产生剪切应力。
[0016]图3是本发明的对顶压砧样品系统结构示意图。
[0017]图4是本发明的剖面结构示意图。
[0018]【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。[0019]实施例1压砧I的加工
根据实验对压力大小和压砧I砧面大小的要求，采用碳化硅作为压砧I制作材料。压砧I为锥体，在锥体的顶角上切出一个斜面，该斜面为压砧I的砧面，砧面与水平面成30°角。砧面相对的两压砧I分别安装在塞柱6和腔体座9端面凹腔内，组成对顶砧的两个压砧I砧面相对，同轴布置，且砧面互相平行。在压砧I外设置支撑环2，压砧I与支撑环2接触面与水平线并非完全垂直，有2?5°夹角，通过此过盈配合对压砧I施加侧向的预应力保护，防止压砧I在高压下损坏。
[0020]实施例2垫片4的制作
选择硬质不锈钢T301作金属垫片4材料。由于压砧I的砧面为斜面，为了固定垫片4，可使其横截面积略大于压砧面横截面积，并收口于下压砧面，。
[0021]用对顶砧将垫片4预压至厚度约为40 μ m，在垫片4上会留下压砧I砧面压痕。利用激光打孔机在压砧I砧面压痕处打孔，即压砧I和垫片4之间形成了样品腔3，作为研究对象的物质或材料即放在此样品腔3内施加高压进行研究。样品腔3的截面积约是300 μ m。
[0022]将压砧1、密封垫片4及支撑环2作为一个独立的整体一对顶压砧样品系统的目的，是为了适应测量功能要求的多样化要求，如顶砧倾斜角的大小，台面倾斜角和大小，压砧I的材质和尺寸，垫片4的材质和尺寸等。对于不同的研究对象,测试要求都会有变化，由于对顶压砧样品系统是独立的整体，就可以通过该系统中各零件的协调调整来解决，而无须重新加工或改装容器的机械装置，有助于高压容器的定型化与多能化，节约实验成本。
[0023]实施例3压剪应力的施加
压力加载采用4个对称设置的螺纹副机械加载系统，由与腔体座或压头上的螺纹孔配合构成加载螺纹副的加载螺栓8和弹性垫构成。在调整过两个压砧I的相对位置之后，通过旋拧两组加载螺栓8，依靠螺栓向下旋进的推力使压砧I靠近来压缩样品腔3中的样品。由于压砧I为斜面，通过斜面可以分解为垂直于斜面的作用力压应力和平行于斜面的剪切应力。同时弹簧钢材质的弹性垫圈10的滑移会增加剪切作用力。压力大小可以通过红宝石压标确定。
[0024]由于在研究压剪作用时不需要过高的压力，且在对顶砧中的样品很小，因此一般情况下手动操作本发明的加压装置即可完成加压。如果对压力有更高的要求，也可将本加压系统置于液压加载装置上进一步加压。
【权利要求】
1.一种可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置，包括加压装置系统和对顶压砧样品系统，对顶压砧样品系统设置在加压装置系统内部，加压装置系统包括压头、腔体座(9)和加载螺栓(8)，压头设置在腔体座(9)上方，通过N个对称布置的加载螺栓(8)将压头和腔体座(9)固定在一起，N ^ 4，并通过拧紧加载螺栓(8)进行加压；压头由端头(5)和塞柱(6)构成，端头(5)设置在塞柱(6)顶部,塞柱(6)底部设有一凹腔，腔体座(9)与塞柱(6)的柱面构成柱面导向副的圆柱筒，压头与腔体座(9)通过此柱面导向副装配在一起；其特征在于:对顶压砧样品系统包括对称布置的两个压砧(I)、支撑环(2)、金属垫片(4)、碳化钨底座(7)和弹性垫圈(10)，将两个压砧(I)分别设置两个在支撑环(2)内，金属垫片(4)中间设有一孔，金属垫片(4)位于两个压砧(I)之间，两个压砧(I)和金属垫片(4)的孔形成样品腔(3)，两个压砧(I)分别固定在碳化钨底座(7)上，弹性垫圈(10)设置在位于底部的压砧(I)的支撑环(2)外侧，位于顶部的压砧(I)通过碳化钨底座(7)固定在塞柱(6)的凹腔内，位于底部的压砧(I)通过碳化钨底座(7 )固定在腔体座(9 )底部。
2.根据权利要求1所述的可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置，其特征在于:压砧(I)为锥体，在锥体的顶角上切出一个斜面，该斜面为压砧(I)的砧面，砧面与水平面成α角度，0° < α <90°，组成对顶砧的两个压砧(I)砧面相对，同轴布置，且砧面互相平行。
3.根据权利要求1或2所述的可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置，其特征在于:压砧(I)的材料为单晶金刚石、碳化硅、二氧化锆、三氧化二铝、碳化钨或纳米金刚石超硬复合材料。
4.根据权利要求1或2所述的可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置，其特征在于:由于压砧(I)的砧面为斜面，为了固定金属垫片(4)，可使其横截面积略大于压砧面横截面积，并收口于下压砧面。
5.根据权利要求4所述的可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置，其特征在于:金属垫片(4)材料为Inconel合金625、Inconel合金1750、硬质不锈钢Τ301、含碳量为1%的弹簧钢、金属Pt、Mo、Ta或Re。
6.根据权利要求1所述的可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置，其特征在于:弹性垫圈(10)的材质为弹簧钢或橡胶。
7.根据权利要求1所述的可以产生压剪复合加载的对顶砧高压装置，其特征在于:在压头上设置一通孔，在腔体座(9)底部设置一锥形孔，通孔、锥形孔和压砧(I)位于同一条轴线，利于透光。
【文档编号】B01J3/06GK103464056SQ201310423510
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】刘彦, 贺雪菁, 贺端威 申请人:南京理工大学