一种用于产生高压的压砧的制作方法

本发明涉及一种用于产生高压的压砧，具体来说，是在八面体压腔静高压装置中使用的二级压砧。

背景技术：

静高压技术是利用外界机械加载方式，通过对所处理的物体缓慢施加负荷挤压，从而使其内部产生很高的压强并能保持较长时间的一种技术。静高压实验技术分为大腔体（样品尺寸大于 1mm ³ ）静高压技术与金刚石对顶砧（DAC）技术。大腔体静高压装置按压力产生的方式分为一级大腔体静高压装置与二级大腔体静高压装置。一级大腔体静高压装置主要包括两面顶与一级多面顶压腔装置。二级大腔体静高压装置又称八面体压机，由八个二级压砧和八面体传压介质组成的增压单元来产生高压，二级压砧一般采用碳化钨压砧。在一级六面体压腔装置中，由于顶锤是安装在六面顶压机活塞的大垫块及小垫块顶部使用的，当受油缸驱动一组六个顶锤闭合形成的正方体高压腔时，可达到6GPa以上的压强和摄氏1500℃以上的温度；对于二级八面体压腔装置，一级正方体高压腔内部的八个二级压砧砧面闭合形成的八面体压腔内部可产生的最高压强约为25GPa。

二级压砧通常采用硬质合金制成，在高温高压实验过程中处于高温高应力状态下工作，并承受着压应力，拉应力，剪切应力等作用，因此需要具有很高的强度。在用于产生高压力的高温高压实验和生产过程中，压砧所承受的应力分布不均匀，并容易集中在砧体尖端部位，从而造成压砧顶角位置及棱边出现裂纹或崩边的情况，这种对压砧产生的永久性破坏使得压砧失效，因此，设计制造一种既可以用于产生高压，又能多次重复使用的压砧，将会有效提高压砧的利用率，降低实验或生产成本。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有压砧易崩边、使用寿命短的不足，提供一种用于产生高压的压砧，通过倒角的量化设计，消除或缓减应力的集中，使得高温高压过程中压砧中的应力得以分散，大大提高了压砧的增压效果、抗压强度和使用寿命。

本发明的目的由以下技术措施实现：

用于产生高压的压砧砧体为正方体，砧面为在正方体砧体的一个顶角处切去一角形成的正三角形面，砧面的边长为砧体立方块边长长度的5%～60%。针对不同的实验需求，可在一个压砧上的多个顶角处设正三角形砧面。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，将八个压砧组成一个正方体的二级增压单元5，八个砧体的砧面围成一个八面体的合成腔，将要实验的样品组装在八面体传压介质合成块4中后再置于合成腔中进行实验。压砧的棱加工为倒棱或倒角结构，砧体顶角加工为倒角结构，这种倒棱与倒角结构能够使压砧中的应力在高温高压实验后分散并均匀化，避免了因应力过于集中而引起的压砧崩裂情况。本发明所述压砧的棱与顶角的倒棱与倒角结构，包括倒斜角与倒圆角两种，在生产中可根据对压砧具体倒角结构的不同使用与外观需求分别加工。在实验前将砧体的棱加工为半径为0.01～5mm的倒圆角结构，砧体顶角的倒角加工为半径为0.01 mm～5.0 mm的倒圆角结构，可进一步提高压砧在实验中的使用寿命。

本发明所述压砧可采用钨钻系列硬质合金、模具钢类合金、金刚石、立方氮化硼多晶烧结体及其复合材料中的一种或几种复合制成，常见的有碳化钨硬质合金压砧，其晶粒尺寸一般为亚微米到几微米级别，含钴量为1%～20%，还有碳化钨硬质合金与多晶金刚石复合压砧。

本发明所述压砧砧面的边长为砧体立方块边长长度的5%～60%，砧面的边长占砧体立方块边长长度的比例越高，可放入组装的样品的量越多。

将本发明压砧加工成不同倒棱与倒角种类后用于高温高压实验的部分效果如下表所示：

由于本发明将压砧的棱设为倒棱或倒圆角结构，将砧体顶角设为倒角结构，避免或明显减缓了压砧在使用过程中的应力集中，降低了压砧在高温高压产生过程中的崩裂几率，特别是对棱与顶角进行倒圆角处理后，压砧在产生15GPa、2000℃以上的高温高压条件下可以重复使用5次以上，在产生低于10GPa的高压条件下可重复使用10次以上，提高了压砧的利用率和使用寿命，降低了使用的成本。

附图说明

图1为现有技术中的压砧的示意图。

图2为本发明所述的压砧棱与顶角的倒斜角结构示意图

图3为本发明所述的压砧棱与顶角的倒圆角结构示意图

图4为为八个压砧围成一个八面体的合成腔体加压装置结构示意图

图5为八面体传压介质合成块组装完成后的示意图

图6为基于六面顶压机构架的八面体压腔静高压装置的示意图

1.压砧砧面，2.密封边，3.垫块，4.八面体传压介质合成块，5. 二级增压单元，6. 一级加压立方体压腔，7.用于一级加压的顶锤。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述压砧和使用作进一步说明。

实施例1

以常规碳化钨硬质合金制成二级压砧进行高温高压实验，砧面的边长为砧体立方块边长长度的30%，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，将要实验的样品组装在八面体传压介质合成块4中后再置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。实验的温压条件为10～20GPa、1500～2000℃，二级压砧在进行1～3次实验后出现烂锤与崩边且不能再用于实验。

实施例2

将常规碳化钨硬质合金制成的二级压砧的3条棱加工成斜角倒棱结构后进行高温高压实验，砧面的边长为砧体立方块边长长度的30%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，将要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下进行7～16次实验后出现烂锤与崩边，在15GPa、2000℃的条件下可以重复使用7～14次。

实施例3

将常规碳化钨硬质合金制成二级压砧的3条棱进行倒圆角处理，倒圆角半径为0.5mm，3个顶角加工为倒斜角结构，之后进行高温高压实验，砧面的边长为砧体立方块边长长度的35%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元置5于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下进行实验后不会出现烂锤与崩边且可重复进行10～20次实验，在15GPa、2000℃的条件下可以重复实验5～9次。

实施例4

将常规碳化钨硬质合金制成二级压砧的4条棱进行倒圆角处理， 3个顶角加工为倒圆角结构，其中，棱的倒圆角半径为0.6mm，顶角的倒圆角半径为0.5mm，之后进行高温高压实验。砧面的边长为砧体立方块边长长度的35%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下进行11～22次实验后出现烂锤与崩边，在15GPa、2000℃的条件下可以重复实验5～19次。

实施例5

将常规碳化钨硬质合金制成二级压砧的4条棱进行倒圆角处理，倒圆角半径为0.8mm，5个顶角加工为倒圆角结构，之后进行高温高压实验，其中，砧体顶角的倒圆角半径为0.3mm或 0.5mm。砧面的边长为砧体立方块边长长度的40%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下进行13～26次实验后出现烂锤与崩边，在20GPa、2000℃的条件下可以重复实验5～11次。

实施例6

将常规碳化钨硬质合金制成二级压砧的6条棱进行倒圆角处理，其中，砧面的棱倒圆角半径为0.8mm，砧面的棱倒圆角半径为0.5mm；5个顶角加工为倒圆角结构，其中，砧体非砧面顶角的倒圆角半径为0.3mm，非砧面顶角中倒圆角半径为0.7 mm。之后进行高温高压实验，砧面的边长为砧体立方块边长长度的45%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下进行13～25次实验后出现烂锤与崩边，在20GPa、2000℃的条件下可以重复实验5～11次。

实施例7

将常规碳化钨硬质合金制成二级压砧，压砧有1个砧面，将压砧的10条棱进行倒圆角处理，倒圆角半径为0.2、0.3或0.5 mm，将压砧的3个非砧面顶角加工成半径为0.7mm的倒圆角结构，之后进行高温高压实验，砧面的边长为砧体立方块边长长度的60%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下进行11～25次实验后出现烂锤与崩边，在20GPa、2000℃的条件下可以重复实验5～17次。

实施例8

将常规碳化钨硬质合金制成二级压砧，压砧有两个砧面，将压砧的1条棱进行倒圆角处理，倒圆角半径为0.5 mm，将压砧的1个顶角加工为倒斜角结构，之后进行高温高压实验，砧面的边长为砧体立方块边长长度的5%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下进行8～20次实验后出现烂锤与崩边，在15GPa、2000℃的条件下可以重复实验6～19次。

实施例9

将常规碳化钨硬质合金制成二级压砧，压砧有两个砧面，将压砧的3个顶角加工为倒斜角结构，之后进行高温高压实验，砧面的边长为砧体立方块边长长度的30%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下可重复实验12～16次，在20GPa、2000℃的条件下可以重复实验6～11次。

实施例10

将常规碳化钨硬质合金制成二级压砧，压砧有两个砧面，将压砧的4条棱进行倒圆角处理，其中，砧面的棱倒圆角半径为0.4mm，非砧面的棱倒圆角半径为0.3mm，将压砧5个顶角加工为倒圆角结构，倒圆角半径为0.7 mm。之后进行高温高压实验，砧面的边长为砧体立方块边长长度的40%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下进行12～24次实验后出现烂锤与崩边，在20GPa、2000℃的条件下可以重复实验6～14次。

实施例11

将常规碳化钨硬质合金制成二级压砧，压砧有两个砧面，将压砧的3个顶角加工为倒斜角结构，4个顶角加工为倒圆角结构，其中，砧面顶角的倒圆角半径为0.3mm非砧面顶角的倒圆角半径为 0.7mm。之后进行高温高压实验，砧面的边长为砧体立方块边长长度的35%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下可重复实验11～27次，在20GPa、2000℃的条件下可以重复实验5～22次。

实施例12

将常规碳化钨硬质合金制成二级压砧，压砧有两个砧面，将压砧的5条棱加工成倒圆角结构，倒圆角半径为0.2或1.0mm，将压砧的4个顶角加工为半径为0.4或1.0mm倒圆角结构。之后进行高温高压实验，砧面的边长为砧体立方块边长长度的60%。组装时，在砧面边缘设置截面为等腰梯形的梯形块做为密封边2，在非砧面上设置垫块3，加压过程中密封边2与垫块3将八个压砧隔开以保护压砧及八面体传压介质合成块4内部的压强，八个碳化钨二级压砧组成一个正方体的二级增压单元5，其中八个砧面在二级增压单元5中围成一个八面体的合成腔，要实验的样品组装后置于合成腔中，将二级增压单元5置于压机中进行实验。二级压砧在10GPa、2000℃条件下进行10～21次实验后出现烂锤与崩边，在20GPa、2000℃的条件下可以重复实验6～17次。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。