专利名称：多级圆角式高压顶砧的制作方法
技术领域：
本实用新型公开了一种多级圆角式高压顶砧，涉及探索金刚石、立方氮化硼及其制品等新型超硬材料和“常压”下无法制备的新材料的合成制备工具，属于超高压技术领域。
背景技术：
自从美国高压物理学家Bridgman成功的设计出达到5GPa以上压力的高压设备后，高压物理学取得了许多意义重大的成果。例如，在高温高压下合成出了金刚石、立方氮化硼等材料，研究了许多不同物质在高压下的物理性质；但几乎所有的高压研究都离不开高压密封装置，高压顶砧作为高压密封装置关键零部件之一，其性能对超高压的获得具有决定性意义。高压顶砧作为研究“高压”对物质的晶体结构、相变、状态方程及物理性质等影响的必备工具，其研究是探索金刚石、立方氮化硼及其制品等新型超硬材料和“常压”下 无法制备的新材料的基础，其广泛被应用于高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学研究领域。高压顶砧作为高压装置的消耗性部件，其性能制约着高压装置可获得的极限腔体压力以及研究实验或材料生产成本。现今，无论是对顶砧装置、两面顶高压装置、四面顶高压装置、六面顶高压装置，还是多级增压装置，配套使用的高压顶砧均为带拐角的简单一级结构，由弹性理论知，带拐角的组织均匀的脆性材料组成的高压顶砧，因应力集中将大大降低强度，引起脆性材料断裂，使高压顶砧产生裂纹，从而降低其在极端条件(高温高压)下使用过程中的使用寿命。此外，现有带拐角的简单一级结构的高压顶砧存在可获得腔体压力低以及腔体体积小等问题。为解决以上问题，研究“高压”对物质的晶体结构、相变、状态方程及物理性质等影响，促进高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学的发展，发明人首次打破传统顶砧的拐角及一级平台设计结构，设计了多级圆角式高压顶石占，此方面工作未见报道。
发明内容本实用新型的目的在于解决极端条件(高温高压)下对顶砧装置、两面顶高压装置、四面顶高压装置、六面顶高压装置以及多级增压装置配套使用的高压顶砧因其结构为带拐角的简单一级结构，从而存在的使用寿命低，可获得腔体压力低以及腔体体积小等问题，不能满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学对超高压下物质体系研究需求。本实用新型的多级圆角式高压顶砧，首次打破传统顶砧的拐角及一级平台设计结构，能够降低顶砧应力集中效应、提高顶砧使用寿命，并获得几十万至百万个大气压的腔体压力，可广泛应用于对顶砧装置、两面顶高压装置、四面顶高压装置、六面顶高压装置以及多级增压装置，满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学对高温高压下物质体系研究需求，促进高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学的发展。本实用新型的技术方案结合附图说明如下[0006]本实用新型提供了一种多级圆角式高压顶砧，其首次打破传统顶砧的拐角及一级平台设计结构，顶部为带圆角的多级台式结构，底部为带倒角的柱体，顶部和底部之间由对称的曲面或扇形斜面过渡；其材质为钢材质、硬质合金、金刚石烧结体、立方氮化硼烧结体或天然金刚石等高硬度材料。所述顶部的带圆角的多级台式结构为带圆角的多级圆台式结构或带圆角的多级棱台式结构。所述的多级台式结构顶面为平面或曲面。所述曲面为凸面或凹面。所述底部带倒角的柱体为圆柱体或棱柱体。所述顶部带圆角的多级台式结构采用双圆角二级圆台式结构,其一级圆台4和二 级圆台3的侧面与顶面分别通过二级圆角2和一级圆角I过渡,一级圆台4和二级圆台3为一体结构，底部为带倒角的圆柱体底部5。在一级圆台4和二级圆台3之间通过用二 - 一级圆台式台面过渡圆角6过渡构成三圆角二级圆台式结构。所述顶部带圆角的多级台式结构采用砧面缩减的三级棱台式结构，其三级棱台7和二级棱台8的侧面与顶面分别通过一级圆角2和二级圆角I过渡，一级棱台9的侧面为与底部过渡的对称大斜面，所述一级棱台9、二级棱台8和三级棱台7为一体结构，底部为带倒角的圆柱体底部5。在二级棱台8和三级棱台7之间通过三-二级棱台式台面过渡圆角10过渡,或在一级棱台9和二级棱台8之间通过二 - 一级棱台式台面过渡圆角11过渡构成三圆角三级棱台式结构。在一级棱台9、二级棱台8和三级棱台7之间通过二 - 一级棱台式台面过渡圆角11和三-二级棱台式台面过渡圆角10过渡构成四圆角三级棱台式结构。本实用新型上的技术效果是本实用新型的多级圆角式高压顶砧，首次打破传统顶砧的拐角及一级平台设计结构，通过采用圆角技术，降低顶砧应力集中效应；通过采用一体式多级台式结构，提高高压装置的腔体压力，从而获得几十万至百万个大气压的腔体压力；通过将台式结构顶面由平面结构改成凹面结构，增加高压腔体体积；通过将台式结构顶面由平面结构改成凸面结构，进一步增加腔体压力。多级圆角式高压顶砧可广泛应用于对顶砧装置、两面顶高压装置、四面顶高压装置、六面顶高压装置以及多级增压装置，满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学对高温高压下物质体系研究需求，促进高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学等基础科学的发展。本实用新型的多级圆角式高压顶砧投入较少，操作比较简单，压力传递快且效率高，能够降低高压装置“调平”和“对中”等工作量大的问题；可以替代现有高压顶砧，解决其价格昂贵、压强转化效率低以及维修工作量大等问题。
图I是双圆角二级圆台式闻压顶站'，其中，图I (a)是二维视图，图I (b)是首I]视图。图2是三圆角二级圆台式高压顶砧，其中，图2(a)是三维视图，图2(b)是剖视图。图3是双圆角三级棱台式高压顶砧，其中，图3(a)是三维视图，图3 (b)是剖视图。[0021]图4是四圆角二级棱台式闻压顶站其中，图4(a)是二维视图，图4(b)是首I]视图。图5是双圆角二级凹台顶面闻压顶站其中，图5 (a)是二维视图，图5(b)是首Ij视图。图6是双圆角二级凸台顶面高压顶砧，其中，图6(a)是三维视图，图6 (b)是剖视图。图7是双圆角三级棱柱体底部高压顶砧。图中1. 一级圆角；2. 二级圆角；3. 二级圆台；4. 一级圆台；5.圆柱体底部；6. 二-一级圆台式台面过渡圆角；7.三级棱台；8. 二级棱台；9. 一级棱台；10.三-二级棱台式台面过渡圆角；11. 二-一级棱台式台面过渡圆角；12. 二级凹台顶面；13. 二级凸台顶面；14.棱柱体底部。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明本实用新型的具体内容和工作过程。为了解决极端条件(高温高压)下对顶砧装置、两面顶高压装置、四面顶高压装置、六面顶高压装置以及多级增压装置配套使用的高压顶砧因其结构为带拐角的简单一级结构，从而存在的使用寿命低，可获得腔体压力低以及腔体体积小等问题，不能满足高压物理学、地球物理学、材料学以及高压生物学对超高压下物质体系研究需求。本实用新型是通过以下技术方案实现的本实用新型提供了一种多级圆角式高压顶砧，其首次打破传统顶砧的拐角及一级平台设计结构，顶部为带圆角的多级台式结构，底部为带倒角的柱体，顶部和底部之间由对称的曲面或扇形斜面过渡。由弹性理论知，通过采用圆角技术，将传统高压顶砧的砧面边缘处拐角用圆角替代，能够消除传统高压顶砧拐角处的应力集中现象，降低拐角位置应力值，从而提高顶砧的使用寿命。多级圆角式高压顶砧材质为钢材质、硬质合金、金刚石烧结体、立方氮化硼烧结体或天然金刚石等高硬度材料。高压顶砧材质硬度越高，高压腔体可获得的极限压力值越高。所述顶部的带圆角的多级台式结构为带圆角的多级圆台式结构或带圆角的多级棱台式结构。由高压顶砧设计原理——大质量支撑原理(面积比增压原理)知，当圆角式高压顶砧底部带倒角的柱体底面积远大于顶部圆台或棱台面积，并以顶部圆台或棱台为对应面进行对置，其底部带倒角的柱体底面积同时受到轴向推进力时，顶部圆台或棱台面将挤压传压介质，并在高压腔体内产生超高压力。高压顶砧的级数越高，高压腔体可获得的极限压力值越高。多级圆角式高压顶砧的多级台式结构顶面为平面或曲面。当台式结构顶面为凹面结构时，其能够增加高压腔体体积；当台式结构顶面为凸面结构时，其能够进一步增加腔体可获得的极限腔体压力。多级圆角式高压顶砧的底部带倒角的柱体为圆柱体或棱柱体。通过采用棱柱体对圆柱体的替换，能够降低高压顶砧的重量，从而实现成本的降低，一定程度上解决其价格昂贵的问题，促进高压装置在各领域的更广泛使用。当多级圆角式高压顶砧的顶部带圆角的多级台式结构采用双圆角二级圆台式结构时，其一级圆台4和二级圆台3的侧面与顶面分别通过二级圆角2和一级圆角I过渡，一级圆台4和二级圆台3为一体结构,底部为带倒角的圆柱体底部5。当然,在一级圆台4和二级圆台3之间通过用二-一级圆台式台面过渡圆角6过渡可构成三圆角二级圆台式结构。当多级圆角式高压顶砧的顶部带圆角的多级台式结构采用砧面缩减的三级棱台式结构时，其三级棱台7和二级棱台8的侧面与顶面分别通过一级圆角2和二级圆角I过渡,一级棱台9的侧面为与底部过渡的对称大斜面，一级棱台9、二级棱台8和三级棱台7为一体结构，底部为带倒角的圆柱体底部5。当然，可以在二级棱台8和三级棱台7之间通过三-二级棱台式台面过渡圆角10过渡,或在一级棱台9和二级棱台8之间通过二 - 一级棱台式台面过渡圆角11过渡从而构成三圆角三级棱台式结构。也可以在一级棱台9、二级棱台8和三级棱台7之间通过二 - 一级棱台式台面过渡圆角11和三-二级棱台式台面过渡圆角10过渡构成四圆角三级棱台式结构。图I是双圆角二级圆台式闻压顶站'，其中，图1(a)是二维视图，图1(b)是首I]视图。双圆角二级圆台式高压顶站顶部为带圆角的二级圆台结构，其一级圆台4和二级圆台3的侧面与顶面分别通过二级圆角2和一级圆角I过渡,一级圆台4和二级圆台3为一体结构，底部为带倒角的圆柱体底部5。双圆角二级圆台式高压顶砧打破传统顶砧的拐角及一级平台设计结构，基于弹性理论，通过采用一级圆角I和二级圆角2替代传统顶砧的拐角，降低顶砧应力集中效应，从而提升高压顶砧的使用寿命。此外，基于高压顶砧设计原理——大质量支撑原理(面积比增压原理)，通过在一级圆台4的圆台平面上添加二级圆台3，并采用一体式二级台式结构，不仅能够提高高压装置的腔体压力，从而获得几十万至百万个大气压的腔体压力，而且操作比较简单，能够降低高压装置“调平”和“对中”等工作量大的问题。 图2是三圆角二级圆台式高压顶砧，其中，图2(a)是三维视图，图2(b)是剖视图。三圆角二级圆台式高压顶站基于双圆角二级圆台式结构，在一级圆台4和二级圆台3之间通过用二 - 一级圆台式台面过渡圆角6过渡，从而构成三圆角二级圆台式结构。三圆角二级圆台式高压顶砧通过二 -一级圆台式台面过渡圆角6的添加，能够进一步降低顶砧应力集中效应，从而进一步增加高压顶砧的使用寿命。此外，由高压顶砧设计原理——侧向支撑原理知，二-一级圆台式台面过渡圆角6的添加，能够增加二级圆台3的侧向支撑面积，从而提高侧向支撑力，增加高压顶砧可获得的极限腔体压力值。双圆角二级圆台式高压顶砧和三圆角二级圆台式高压顶砧可以使用在对顶砧和两面顶等高压装置，其材料可以为钢材质、硬质合金、金刚石烧结体、立方氮化硼烧结体或天然金刚石等高硬度材料。高压顶砧材质硬度越高，高压腔体可获得的极限压力值越高。当然，带圆角的圆台式高压顶砧的圆台可以为一级，也可以为多级，高压顶砧的级数越高，高压顶砧面积越小，其高压腔体可获得的极限压力值越高。图3是双圆角三级棱台式高压顶砧，其中，图3(a)是三维视图，图3 (b)是剖视图。双圆角三级棱台式高压顶站顶部采用站面缩减的三级棱台式结构，其三级棱台7和二级棱台8的侧面与顶面分别通过一级圆角2和二级圆角I过渡，一级棱台9的侧面为与底部过渡的对称大斜面，一级棱台9、二级棱台8和三级棱台7为一体结构,底部为带倒角的圆柱体底部5。当然可以在二级棱台8和三级棱台7之间通过三-二级棱台式台面过渡圆角10过渡，或在一级棱台9和二级棱台8之间通过二-一级棱台式台面过渡圆角11过渡从而构成三圆角三级棱台式结构。双圆角三级棱台式高压顶站分别采用一级棱台9、二级棱台8和三级棱台7实现棱台顶面积的缩减，从而依据高压顶砧设计原理一大质量支撑原理(面积比增压原理)实现高压腔体压力的增加；通过采用一级圆角I和二级圆角2替代传统顶砧的拐角，从而降低顶砧应力集中效应，提升高压顶砧的使用寿命。双圆角三级棱台式高压顶砧的顶面为正方形，可以挤压六面体腔体，使用在六面顶高压装置上。当然，双圆角三级棱台式高压顶砧的顶面也可以为三角形，可以挤压四面体腔体，使用在四面顶高压装置上。[0031]图4是四圆角二级棱台式闻压顶站其中，图4(a)是二维视图，图4(b)是首I]视图。四圆角三级棱台式高压顶站在一级棱台9、二级棱台8和三级棱台7之间通过二-一级棱台式台面过渡圆角11和三-二级棱台式台面过渡圆角10过渡构成四圆角三级棱台式结构。通过三-二级棱台式台面过渡圆角10和二-一级棱台式台面过渡圆角11的添加，能够进一步降低顶砧应力集中效应，从而进一步增加高压顶砧的使用寿命。此外，由高压顶砧设计
原理-侧向支撑原理知，三-二级棱台式台面过渡圆角10的添加，能够增加三级棱台7
的侧向支撑面积，从而提高侧向支撑力，增加高压顶砧可获得的极限腔体压力值。图5是双圆角二级凹台顶面闻压顶站其中，图5 (a)是二维视图，图5(b)是首Ij视图。双圆角二级凹台顶面高压顶站通过采用二级凹台顶面12对传统顶站平面进行替代；当台式结构顶面为凹面结构时，其能够增加高压腔体体积。图6是双圆角二级凸台顶面高压顶砧，其中，图6(a)是三维视图，图6 (b)是剖视图。双圆角二级凸台顶面高压顶砧通过采用二级凸台顶面13对传统顶砧平面进行替代。当台式结构顶面为凸面结构时，其能够进一步增加腔体可过的的极限腔体压力。图7是双圆角三级棱柱体底部高压顶砧。双圆角三级棱柱体底部高压顶砧通过采用棱柱体底部14对传统顶砧圆柱体底部5的替换，能够降低高压顶砧的重量，从而实现成本的降低，一定程度上解决其价格昂贵的问题，促进高压装置在各领域的更广泛使用。
权利要求1.一种多级圆角式高压顶砧，其特征在于，顶部为带圆角的多级台式结构，底部为带倒角的柱体，顶部和底部之间由对称的曲面或扇形斜面过渡；所述的高压顶砧材质为钢材质、硬质合金、金刚石烧结体、立方氮化硼烧结体或天然金刚石高硬度材料。
2.根据权利要求I所述的多级圆角式高压顶砧，其特征在于，所述顶部的带圆角的多级台式结构为带圆角的多级圆台式结构或带圆角的多级棱台式结构。
3.根据权利要求I所述的多级圆角式高压顶砧，其特征在于，所述的多级台式结构顶面为平面或曲面。
4.根据权利要求3所述的多级圆角式高压顶砧，其特征在于，所述曲面为凸面或凹面。
5.根据权利要求I所述的多级圆角式高压顶砧，其特征在于，所述底部带倒角的柱体为圆柱体或棱柱体。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的多级圆角式高压顶砧，其特征在于，所述顶部带圆角的多级台式结构采用双圆角二级圆台式结构，所述双圆角二级圆台式结构的一级圆台(4)和二级圆台(3)的侧面与顶面分别通过二级圆角(2)和一级圆角(I)过渡，一级圆台(4)和二级圆台(3)为一体结构，底部为带倒角的圆柱体底部(5)。
7.根据权利要求6所述的多级圆角式高压顶砧，其特征在于，在一级圆台(4)和二级圆台(3)之间通过用二-一级圆台式台面过渡圆角(6)过渡构成三圆角二级圆台式结构。
8.根据权利要求1、2、3或5所述的多级圆角式高压顶砧，其特征在于，所述顶部带圆角的多级台式结构采用站面缩减的三级棱台式结构，所述双圆角三级棱台式结构的三级棱台(7)和二级棱台(8)的侧面与顶面分别通过一级圆角(2)和二级圆角(I)过渡，一级棱台(9)的侧面为与底部过渡的对称大斜面，所述一级棱台(9)、二级棱台(8)和三级棱台(7)为一体结构，底部为带倒角的圆柱体底部(5)。
9.根据权利要求8所述的多级圆角式高压顶砧，其特征在于，在二级棱台(8)和三级棱台(X)之间通过三-二级棱台式台面过渡圆角(10)过渡,或在一级棱台(9)和二级棱台(8)之间通过二-一级棱台式台面过渡圆角(11)过渡构成三圆角三级棱台式结构。
10.根据权利要求8所述的多级圆角式高压顶砧，其特征在于，在一级棱台(9)、二级棱台(8)和三级棱台(7)之间通过二-一级棱台式台面过渡圆角(11)和三-二级棱台式台面过渡圆角(10)过渡构成四圆角三级棱台式结构。
专利摘要本实用新型公开了一种多级圆角式高压顶砧，涉及探索金刚石、立方氮化硼及其制品等新型超硬材料和“常压”下无法制备的新材料的合成制备工具，属于超高压技术领域。多级圆角式高压顶砧顶部为带圆角的多级台式结构，底部为带倒角的柱体，顶部和底部之间由对称的曲面或扇形斜面过渡；所述高压顶砧材质为钢材质、硬质合金、金刚石烧结体、立方氮化硼烧结体或天然金刚石等高硬度材料。本实用新型解决了传统顶砧的拐角及一级平台设计结构弊端，降低了顶砧应力集中效应、提高顶砧使用寿命，并获得几十万至百万个大气压的腔体压力，可广泛应用于对顶砧装置和多面顶高压装置及多级增压装置，满足高压物理学及高压生物学对高温高压下物质体系研究需求。
文档编号B01J3/06GK202555244SQ20122000394
公开日2012年11月28日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者韩奇钢, 贾晓鹏, 李明哲, 薛鹏飞, 马红安 申请人:吉林大学