技术领域：
本发明涉及功能材料和矿物材料合成领域，尤其涉及一种在高温高压下生长菱镁矿单晶的方法。
背景技术：
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近年来，温室气体co2进入大气圈，导致全球变暖的问题受到人们的广泛关注，碳酸盐矿物作为地球圈层中最大的碳库，它在地球系统中的循环影响着全球碳循环系统，所以，沉积岩中的碳酸盐矿物的稳定性以及其存在的形态研究尤其重要。已有的实验结果表明，菱镁矿能够在下地幔的高温高压条件下保持结构稳定，它的高压稳定区域可以达到115gpa(相当于地球深部2600km)，因此，菱镁矿被认为是在地幔条件下最为稳定的碳的载体。菱镁矿在高温高压下的物理性质及其稳定性，由于缺少高质量高纯度的菱镁矿单晶样品一般采用天然菱镁矿样品，天然菱镁矿样品一般都含有ca2+，fe2+，mn2+等杂质，对菱镁矿本身的性质研究影响比较大。此外，随着高压性质研究的深入，对菱镁矿单晶各项异性的物性研究变得尤为重要，包括各向异性的弹性模量、地震波波速、电导率等。因此，在这种情况下，需要人工合成高质量高纯度的菱镁矿单晶样品。
至今，菱镁矿单晶的生长报道仅有1973年kidongoh等人的水热法，美国矿物学报，58，339-340。水热法制备的单晶尺寸小，平均大小100μm，单晶生长工艺极其复杂，反应时间非常长，长达144小时，所以在实验室重复操作难度很大。因此，探索制备过程简单、尺寸大的人工合成菱镁矿单晶的方法是研究菱镁矿必要的基础。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种在高温高压下生长菱镁矿单晶的方法，以解决现有菱镁矿单晶制备技术操作过程复杂、实验重复性差、反应时间过长、获得的菱镁矿单晶尺寸小等技术问题。
本发明技术方案：
步骤1、使用分析纯的三水碳酸镁粉末和无水草酸作为起始原料；
步骤2、按照化学计量摩尔比1:1将三水碳酸镁和无水草酸称量混合，使用压片机将混合物压成圆柱形，然后将圆柱形样品塞入铂金管中，两端使用焊枪密封；
步骤3、将铂金密封的样品置于h-bn管中，以h-bn为传压介质；
步骤4、将装在h-bn管的样品组装在高压合成组装块中并放置在六面顶大压机进行高温高压反应，高温高压反应的温度为1000℃-1400℃，压力为4gpa，反应时间为2个小时，然后以1℃/min缓慢降温；
步骤5、将反应后的样品取出，使用金刚石切刀打开铂金管，在显微镜下挑选菱镁矿单晶。
步骤3的具体操作为：在车床上将h-bn棒中心钻一个孔作成h-bn管，将铂金密封的样品塞入管中，两端拿h-bn片密封。
步骤4所述的将装在h-bn管的样品组装在高压合成组装块中的方法包括：
步骤4.1、选取一块叶腊石块，在叶腊石块中心打一个圆形通孔；
步骤4.2、在圆形通孔内套一个圆形石墨加热炉；
步骤4.3、在石墨加热炉中间放置所述h-bn管密封的样品；
步骤4.4、将圆形石墨加热炉上下两端用叶腊石堵头密封。
步骤4所述的高压合成组装块内设置有热电偶。
步骤5所述菱镁矿单晶是单一物相，无杂质相。
步骤5所述菱镁矿单晶为三方结构，空间群为r-3c(no.167)，晶格参数
本发明的有益效果：
本发明结合地球化学的知识背景，即在较热的俯冲带中，进入弧后地幔的大洋沉积物中的碳酸盐一般在较浅的深度就会通过部分熔融以碳酸盐熔体的形式释放出去，而俯冲带大洋板块中的沉积物会在弧前和弧下深度持续性脱水，形成碳酸盐熔体岩浆。因此在高温高压、有水存在的条件下，菱镁矿会形成熔体，通过缓慢降温获得菱镁矿单晶。本实验涉及的化学反应方程式为：
mgco3·3h2o－mgco3+3h2o
h2c2o4－h2o+co2+co
本发明在高温高压的条件下，起始原料三水碳酸镁不仅提供了合成菱镁矿必不可少的原料，同时也为单晶生长提供了水的流体，而无水草酸分解产生腔体内co2的分压，也提供了水的流体。
相比天然的菱镁矿，因其含有ca2+，fe2+，mn2+等杂质，现有报道检测出天然的菱镁矿纯净度很难达到90％，另外，天然的菱镁矿由于含有大量杂质容易吸水风化，本发明生长菱镁矿单晶的过程，实验室环境纯净，试样处于密封环境中，不与杂质接触，得到的菱镁矿单晶为纯净物，不易吸水，化学稳定性好，为菱镁矿单晶的各向异性的研究提供了重要保障。
相比已报道的菱镁矿单晶的水热法人工生长方法，本发明的方法具有操作过程简单、反应时间极短等优势，获得的菱镁矿单晶具有纯度高、尺寸大、化学稳定性好不易吸水等特点，单晶尺寸可以满足金刚石压腔高压测试和单晶衍射等的要求，该方法为菱镁矿单晶的各向异性的研究提供了重要保障，解决了现有菱镁矿单晶生长技术操作过程复杂、实验重复性差、反应时间过长，获得的菱镁矿单晶尺寸小等技术问题。
具体实施方式：
一种在高温高压下生长菱镁矿单晶的方法，它包括：
步骤1、使用分析纯的三水碳酸镁粉末和无水草酸作为起始原料；
步骤2、按照化学计量摩尔比1:1将三水碳酸镁和无水草酸称量混合，使用压片机将混合物压成φ5×3mm圆柱形，然后将样品塞入φ5mm、厚0.1mm的铂金管中，两端使用焊枪密封；
步骤3、将铂金密封的样品置于h-bn管中，以h-bn为传压介质；
步骤4、将装在h-bn管的样品组装在高压合成组装块中并放置在六面顶大压机进行高温高压反应，高温高压反应的温度为1000℃-1400℃，压力为4gpa，反应时间为2个小时，然后以1℃/min缓慢降温；
步骤5、将反应后的样品取出，使用金刚石切刀打开铂金管，在显微镜下挑选菱镁矿单晶。
步骤3的具体操作为：在车床上将大小为φ10mm的h-bn棒中心钻φ5mm的孔作成h-bn管，将铂金密封的样品塞入管中，两端拿φ5mm厚度为2mm的h-bn片密封。
步骤4所述的将装在h-bn管中的样品组装在高压合成组装块中的方法包括：
步骤4.1、选取一块叶腊石块，在叶腊石块中心打一个φ12mm圆形通孔；
步骤4.2、在圆形通孔内套一个外径φ12mm、内径φ10mm的圆形石墨加热炉；
步骤4.3、在石墨加热炉中间放置φ10mm的h-bn管密封的样品；
步骤4.4、将圆形石墨加热炉上下两端用叶腊石堵头密封。
步骤4所述的高压合成组装块内设置有热电偶。
步骤5所述菱镁矿单晶是单一物相，无杂质相。
步骤5所述菱镁矿单晶为三方结构，空间群为r-3c(no.167)，晶格参数
实施例1
以分析纯的三水碳酸镁和无水草酸作为起始原料，按照化学计量摩尔比1:1混合均匀，使用粉末压片机将混合物(约0.25g)末压成圆柱体(φ5mm×3mm)，将样品塞入φ5mm、厚0.1mm的铂金管中，两端使用焊枪密封。以h-bn为传压介质，将铂金密封的样品置于h-bn管中：在车床上将大小为φ10mm的h-bn棒中心钻φ5mm的孔作成h-bn管，将铂金密封的样品塞入管中，两端拿φ5mm厚度为2mm的h-bn片密封，完成高压组装块。高压组装块组装方式：
①32×32mm的叶腊石块中心打直径为12mm的圆形通孔；
②叶腊石块的圆形通孔里面套一个外径为12mm，内径为10mm的石墨加热炉；
③石墨加热炉中间放装在h-bn管中的样品，上下为用直径为10mm的叶腊石堵头进行封堵。
至此，高压组装块完成，其中高压组装块涉及到的尺寸可根据装在h-bn管中的样品的尺寸来具体确定；该组装块中，叶腊石和h-bn作传压介质，石墨炉作加热炉，热电偶作控温装置。本发明高压组装块的优点是：①使用热电偶控温，加热系统通过热电偶反馈的温度调节加热功率，从而改变温度，该方法可以实现对温度的即时监控，适用于对温度测量精度要求高的实验；②叶腊石作为一级传压介质，具有很好的传压性、机械加工性、耐热保温性和绝缘性，h-bn是一种低剪切材料，作为二级传压介质，使腔体中的压力比较均匀，且其密封性好；③石墨炉作为加热炉，温度均匀性高。
将组装块放入六面顶大压机中进行高温高压反应，设定压力为4gpa，设定温度为1000℃，反应时间为2h，然后以1℃/min缓慢降温。高温高压反应完成后，将得到的样品取出，使用金刚石切刀打开铂金管，在显微镜下挑选菱镁矿单晶。
实施例2
以分析纯的三水碳酸镁和无水草酸作为起始原料，按照化学计量摩尔比1:1混合均匀，使用粉末压片机将混合物(约0.25g)末压成圆柱体(φ5mm×3mm)，将样品塞入φ5mm、厚0.1mm的铂金管中，两端使用焊枪密封。以h-bn为传压介质，将铂金密封的样品置于h-bn管中：在车床上将大小为φ10mm的h-bn棒中心钻φ5mm的孔作成h-bn管，将铂金密封的样品塞入管中，两端拿φ5mm厚度为2mm的h-bn片密封，完成高压组装块。高压组装块组装方式：
①32×32mm的叶腊石块中心打直径为12mm的圆形通孔；
②叶腊石块的圆形通孔里面套一个外径为12mm，内径为10mm的石墨加热炉；
③石墨加热炉中间放装在h-bn管中的样品，上下为用直径为10mm的叶腊石堵头进行封堵。
至此，高压组装块完成，其中高压组装块涉及到的尺寸可根据装在h-bn管中的样品的尺寸来具体确定；该组装块中，叶腊石和h-bn作传压介质，石墨炉作加热炉，热电偶作控温装置。本发明高压组装块的优点是：①使用热电偶控温，加热系统通过热电偶反馈的温度调节加热功率，从而改变温度，该方法可以实现对温度的即时监控，适用于对温度测量精度要求高的实验；②叶腊石作为一级传压介质，具有很好的传压性、机械加工性、耐热保温性和绝缘性，h-bn是一种低剪切材料，作为二级传压介质，使腔体中的压力比较均匀，且其密封性好；③石墨炉作为加热炉，温度均匀性高。
将组装块放入六面顶大压机中进行高温高压反应，设定压力为4gpa，设定温度为1200℃，反应时间为2h，然后以1℃/min缓慢降温。高温高压反应完成后，将得到的样品取出，使用金刚石切刀打开铂金管，在显微镜下挑选菱镁矿单晶。
实施例3
以分析纯的三水碳酸镁和无水草酸作为起始原料，按照化学计量摩尔比1:1混合均匀，使用粉末压片机将混合物(约0.25g)末压成圆柱体(φ5mm×3mm)，将样品塞入φ5mm、厚0.1mm的铂金管中，两端使用焊枪密封。以h-bn为传压介质，将铂金密封的样品置于h-bn管中：在车床上将大小为φ10mm的h-bn棒中心钻φ5mm的孔作成h-bn管，将铂金密封的样品塞入管中，两端拿φ5mm厚度为2mm的h-bn片密封，完成高压组装块。高压组装块组装方式：
①32×32mm的叶腊石块中心打直径为12mm的圆形通孔；
②叶腊石块的圆形通孔里面套一个外径为12mm，内径为10mm的石墨加热炉；
③石墨加热炉中间放装在h-bn管中的样品，上下为用直径为10mm的叶腊石堵头进行封堵。
至此，高压组装块完成，其中高压组装块涉及到的尺寸可根据装在h-bn管中的样品的尺寸来具体确定；该组装块中，叶腊石和h-bn作传压介质，石墨炉作加热炉，热电偶作控温装置。本发明高压组装块的优点是：①使用热电偶控温，加热系统通过热电偶反馈的温度调节加热功率，从而改变温度，该方法可以实现对温度的即时监控，适用于对温度测量精度要求高的实验；②叶腊石作为一级传压介质，具有很好的传压性、机械加工性、耐热保温性和绝缘性，h-bn是一种低剪切材料，作为二级传压介质，使腔体中的压力比较均匀，且其密封性好；③石墨炉作为加热炉，温度均匀性高。
将组装块放入六面顶大压机中进行高温高压反应，设定压力为4gpa，设定温度为1400℃，反应时间为2h，然后以1℃/min缓慢降温。高温高压反应完成后，将得到的样品取出，使用金刚石切刀打开铂金管，在显微镜下挑选菱镁矿单晶。