专利名称：一种多层多面球剖分式高压装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多层多面球剖分式高压装置，具体而言，涉及一种合成金刚石、立方氮化硼及其制品等超硬材料和“常压”下无法制备的新材料的合成制备装置，属于高压技术领域。
背景技术：
目前的超高压装置主要有六面顶装置和两面顶装置。六面顶装置腔体为六面体，每一个面都有一个顶锤施加压力，其多缸同步性差，行程短，腔体小，且压头之间存在相互挤压，不易长时间形成稳定的高压高温条件；两面顶装置腔体为圆柱形，通过对内部缸体和外部钢环施加预紧力增加缸体内壁的强度,但所产生的预紧力有限。B.C.Von Platen曾实用新型了两层的球形增压容器，每层由6个球瓣组成，内层球瓣所组成的腔体为立方体，并在组合球体外增加一液压腔体，通过对组合球体表面施加压力使球瓣收缩产生增压效果，但是由于密封和应力集中问题，其压力并不能很高，而且在增压过程中有振动现象。NaotoKawai把两个分块的对顶圆锥体组合成一个球形腔体，且两个组合锥体分别套在由压力机控制的顶砧内，通过锥面配合使组合锥体收缩增压，但是在对顶面处容易产生弯曲应力而失效，并且顶砧在内壁处也因具有过大的周向应力和应力集中而很容易破坏。本实用新型的多层多面球剖分式高压装置采用多层组合球，利用高温时物体的膨胀或通过压力机压头提高腔体压力，运用“未裂先分”的原理降低腔体内壁的切向应力，并且通过各层之间的相互限制，逐渐减小各层的切向应力，能显著降低最外层壳体上的周向应力，使装置受力更加均匀，并增加腔体容积。所述多层多面球剖分式高压装置还能用于需要较大内压力的塑性加工中。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种结构简单、腔体容积大、承压能力强、寿命高的超高压装置，可广泛应用于高温高压条件下的新型材料的合成与塑性加工中。本实用新型的技术方案说明如下:本实用新型提供一种多层多面球剖分式高压装置，包括多面球剖分块、壳体和紧固件；所述多面球剖分块分为多层，相邻两层剖分块的剖分线相互错开；最内层多面球剖分块组合构成的腔体为球形或多面体，所述腔体内放置被合成物体，并放置叶腊石等传压与密封介质；所述多面球剖分块多层组合后由半球形壳体对接并固定；所述半球形壳体通过所述紧固件连接在一起。根据所述构成方式，相邻层之间的剖分块相互错开，使层与层之间相互限制，因此切向拉应力和径向压力可以在传递过程中逐层衰减，使到达外层的压力足够小，且可以用螺纹连接而不被破坏。此外，所述多面球剖分块各层的数量相同或不同。剖分块数量多，能够降低剖分块的拉应力，各层采用适当的块数组合能够使剖分块和壳体受力均匀，实现等强度设计，承受更高的腔体压力。所述多面球剖分块的各层数量从内到外可以由多变少，例如，其各层剖分块组合数为 20-12、32-30、32-12、60-32、60-32-30 或 60-32-12，组合数还可以为 12-8、12-6或8-6，或者其中任意一种的循环式组合。另外，靠近外层可以采用一层或多层半球形壳体，当半球形壳体为多层时，相邻层壳体的剖分线也相互错开。根据所述构成方式，使相邻层剖分块的剖分线相互错开，或者同时使多面球剖分块的数目从内到外逐渐减少，从而使腔体内的压力适当衰减，降低壳体的应力，而采用循环式组合能够实现更多层的多面球剖分块的装配，从而使装置承受更高的腔体压力。此外，所述多面球剖分块各层的径向厚度可以不同。根据所述构成方式，各层多面球剖分块在传递和衰减腔体内压力时，可以根据各层多面球剖分块位置和多面球剖分块配合面面积不同，设计适当厚度，使各层多面球剖分块具有适当的承压能力，从而使装置受力更加均匀合理。此外，在所述腔体内还放置加热单元或炸药。根据所述构成方式，通过对腔体内物质加热使其膨胀或产生相变，从而产生高温与高压；或者通过爆炸的方式来产生腔体内的高温与高压。此外，在所述的多层多面球剖分式高压装置中还设置一个或两个对顶的锥形孔，并且采用与锥形孔对应的压头施加压力；所加工的锥形孔的形状为锥面、抛物面、双曲面或组合曲面。根据所述构成方式，通过压头挤压腔体内物质，增大腔体内压力；当锥形孔的锥面类似于抛物面、双曲面或组合曲面时，能够增大与锥形孔配合的压头的支撑面积，进而增加压头的强度和刚度。此外，在所述多面球剖分块的层与层之间，或多面球剖分块与半球形壳体之间适当设置冷却器，并连接冷却管。根据所述构成方式，通过冷却管往冷却器里通入冷却液，实现对多层多面球剖分式高压装置有些部位的冷却，降低多层多面球剖分式高压装置中不需要高温的部位的温度，提高多层多面球剖分式高压装置的使用寿命。此外，所述壳体为多层，所述壳体各层均由两个半球形壳体组成，其内表面和外表面均为半球面，或者最外层壳体的外表面为圆柱面；相邻层壳体的剖分线也相互错开。根据所述构成方式，所述壳体为多层，可以在多个方向约束内部各层的多面球剖分块，降低最外层壳体与所述紧固件的载荷；所述壳体内表面和外表面均为半球面，使各层壳体能够紧密配合，并且使装置在径向的厚度都相等，不但能够减轻装置重量，而且还可以实现等强度设计；最外层壳体的外表面还可以为圆柱面，以便于固定。由于腔体内压力在经过各层衰减后到达壳体的压力很小，能够采用紧固件连接在一起，从而约束多面球剖分块组合体。此外，所述紧固件是螺栓、卡箍、U形固定块或半圆形固定环。根据所述构成方式，当装置体积较小时，可以采用螺栓、法兰等结构使壳体固定在一起；当装置体积较大时，可以采用卡箍、U形固定块或半圆形固定环使壳体固定在一起。此外，所述壳体使用钢丝或钢带缠绕。根据所述构成方式，使用钢丝或钢带对壳体按毛线球缠绕方式进行缠绕，能够在不采用螺栓或固定块的情况下对壳体进行预紧，增加壳体的承压能力。[0023]本实用新型的技术效果:所述多层多面球剖分式高压装置，由于所述多面球剖分块分为多层，且多面球剖分块各层的剖分线相互错开，使各层在力的传递过程中相互限制，降低外部壳体承受的力；而且各层都以球形面为配合面，增大支撑面积，显著降低外部壳体的压力；因此，多层多面球剖分式高压装置各层受力均匀，不但能显著增加腔体容积，而且还能显著提高腔体内的压力。另外，所述多层多面球剖分块式高压装置的结构紧凑、剖分块尺寸小，可以显著提高硬质材料的烧结质量。
图1是一种多层多面球剖分式高压装置100的纵截面图。图2是另一种多层多面球剖分式高压装置200的纵截面图。图3是另一种多层多面球剖分式高压装置300的纵截面图。图4是另一种多层多面球剖分式高压装置400的纵截面图。图5是另一种多层多面球剖分式高压装置500的纵截面图。图6是多层多面球剖分式高压装置200的三维视图。图7是多层多面球剖分式高压装置200所涉及的第一层多面球剖分块组合体。图8是多层多面球剖分式高压装置200所涉及的第二层多面球剖分块组合体。图9是一种壳体结构。图10是另一种壳体结构。图11是一种壳体连接方式。图12是一种剖分与组合方式1000示意图。图13是另一种剖分与组合方式2000示意图。图14是另一种剖分与组合方式3000示意图。图15是另一种剖分与组合方式4000不意图。其中:1....腔体2……第一层多面球剖分块2a...正二十面球剖分块组合体3....第二层多面球剖分块3a...正十二面球剖分块组合体4.....壳体5.....紧固螺栓6.....底座7...U型固定块或半圆环形固定环10....第一层多面球剖分块外表面的剖分线20....第二层多面球剖分块内表面的剖分线
100...—种多层多面球剖分式高压装置200...另一种多层多面球剖分式高压装置300...另一种多层多面球剖分式高压装置400...另一种多层多面球剖分式高压装置[0055]500...另一种多层多面球剖分式高压装置1000...一种剖分与组合方式2000...另一种剖分与组合方式3000...另一种剖分与组合方式4000...另一种剖分与组合方式
具体实施方式
以下结合附图进一步对本实用新型所涉及的多层多面球剖分式高压装置进行说明。图1是本实用新型的一个实施方式所涉及的多层多面球剖分式高压装置100的纵截面图。在多层多面球剖分式高压装置100中，第一层多面球剖分块2的组合体由20个三角形剖分块组成，构成正二十面球剖分块组合体2a ;正二十面球剖分块组合体2a内部的腔体I为球形，当然也可以为正二十面体。第二层多面球剖分块3由12个五边形剖分块组成，构成正十二面球剖分块组合体3a。正二十面球剖分块组合体2a与正十二面球剖分块组合体3a紧密配合，正二十面球剖分块的剖分线与正十二面球剖分块的剖分线相互错开，正二十面球剖分块的顶点对应正十二面球剖分块的面心；最外层由两个半球形壳体4对接并固定，壳体4的内表面为半球面，与第二层多面球剖分块组合体的外表面配合；壳体4的外表面为半球面，使装置在径向上的厚度都相等，不但能够减轻装置重量，而且还可以实现等强度设计；并且壳体体积小，便于加工。壳体4带有法兰，并且通过紧固螺栓5连接成一整体，也可以通过U型固定块或半圆环形固定环7对壳体4进行固定(参考图11)。第一层多面球剖分块2可以采用硬质合金、立方氮化硼、金刚石或陶瓷等高硬度材料，第二层多面球剖分块3和半球形壳体4可以采用合金钢或普通碳钢。在腔体I内放置被合成物体以及叶腊石等传压与密封介质，并放置加热单元对腔体I内物质加热，使其膨胀或产生相变，达到增大物质体积的效果，而腔体I内的物质因为剖分块的限制而阻止腔体I内的物质的体积增大，从而在腔体I内产生高压；当然也可以在腔体I内放置炸药，通过爆炸的方式使腔体I内产生高压。在多层多面球剖分式高压装置100中:第一层多面球剖分块2所构成的组合体并不限于正二十面球剖分块组合体，可以是任意多面球剖分块组合体；第二层多面球剖分块3可以与第一层多面球剖分块相同，也可以是其它类型的多面球剖分块；其多面球剖分块组合体层数也并不限于两层，例如，对于四层多面球剖分式高压装置，其各层面数可以相同；或者采用60-32-20-12面数的组合；而且，相邻层剖分块的剖分线相互错开；另外，多面球剖分块的各层数目从内到外还可以是32-12，32-30, 60-32, 60-32-12, 60-32-30，或者是其中任意一种的循环式组合。值得提出的是多面球剖分块的各层径向厚度可以相同或不同；所述壳体也可以为多层，而且，相邻层壳体的剖分线也相互错开。图2是本实用新型的另一个实施方式所涉及的多层多面球剖分式高压装置200的纵截面图。为了便于叙述，这里仅就多层多面球剖分式高压装置200与多层多面球剖分式高压装置100的不同之处进行说明。在多层多面球剖分式高压装置200中，加工两个对顶的圆锥孔，通过与对顶的锥孔对应的压头(未图示)挤压腔体I内的传压介质产生高压环境；其中压头可以是整体式的，也可以是组合式的；所述压头可以对腔体I单独施加压力，也可以在对腔体I施加压力的同时对多面球剖分块的各层组合体施加压力。在多层多面球剖分式高压装置200中，所加工的锥孔形状并不限于锥面，也可以是抛物面、双曲面或组合曲面；所加工的锥孔的数量也可以是一个。图3是本实用新型的另一个实施方式所涉及的多层多面球剖分式高压装置300的纵截面图。为了便于叙述，这里仅就多层多面球剖分式高压装置300与多层多面球剖分式高压装置200的不同之处进行说明。在多面球剖分式高压装置300中，只加工一个锥孔，壳体4与底座6通过紧固螺栓5或U型固定块或半圆环形固定环7连接在一起(参考图11)。通过与锥孔对应的压头(未图示)挤压腔体I内的传压介质产生高压环境，其中压头可以是整体式的，也可以是组合式的。压头可以对腔体I单独施加压力，也可以在对腔体I施加压力的同时对多面球剖分块的各层组合体施加压力。图4是本实用新型的另一个实施方式所涉及的多层多面球剖分式高压装置400的纵截面图。为了便于叙述，这里仅就多层多面球剖分式高压装置400与多层多面球剖分式高压装置200的不同之处进行说明。在多面球剖分式高压装置400中，所加工的锥孔轮廓类似于抛物面，当然也可以是双曲面或组合曲面。由此来减小锥孔的高度，增加与锥孔对应的压头(未图示)的支撑面积，提高压头的强度和刚度。图5是本实用新型的另一个实施方式所涉及的多层多面球剖分式高压装置500的纵截面图。为了便于叙述，这里仅就多层多面球剖分式高压装置500与多层多面球剖分式高压装置200的不同之处进行说明。在多面球剖分式高压装置500中，壳体4内表面为半球面，与第二层多面球剖分块3的组合体配合，外表面为圆柱面并带有法兰(参考图10)，壳体4通过紧固螺栓5或U型固定块或半圆环形固定环7连接在一起(参考图11)。图6是本实用新型的多层多面球剖分式高压装置200的三维视图。图7是本实用新型的多层多面球剖分式高压装置200所涉及的第一层多面球剖分块组合体。在多层多面球剖分式高压装置200中，第一层多面球剖分块2构成正二十面球剖分块组合体2a，并加工两个对顶的锥形孔。图8是本实用新型的多层多面球剖分式高压装置200所涉及的第二层多面球剖分块组合体。在多层多面球剖分式高压装置200中，第二层多面球剖分块3构成正十二面球剖分块组合体3a，并加工两个对顶的锥形孔。图9是本实用新型所涉及的一种壳体结构。所述壳体形状为半球形，其内表面为半球面，外表面也为半球面，并带有法兰；通过螺栓直接将法兰处连接在一起，还可以采用卡箍、U型固定块或半圆环形固定环连接固定在一起。图10是本实用新型所涉及的另一种壳体结构。所述壳体的内表面为半球面，外表面为柱面，并带有法兰；通过螺栓直接将法兰处连接在一起，还可以采用卡箍、U型固定块或半圆环形固定环连接固定在一起。图11是壳体的一种连接方式。卡箍、U型固定块或半圆环形固定环7夹持壳体4的法兰，通过紧固螺栓5连接在一起。图12是本实用新型的多层多面球剖分式高压装置所涉及的一种剖分与组合方式1000的示意图。在剖分与组合方式1000中，第一层多面球剖分块组合体由20个三角形剖分块组成，其内表面构成正二十面体或圆球形腔体，其外表面构成圆球面，并与第二层多面球剖分块内表面配合；第二层多面球剖分块组合体也由20个三角形剖分块组成，其内表面构成圆球面，并与第一层多面球剖分块外表面配合，其外表面也构成圆球面，并与半球形壳体配合；第一层多面球剖分块外表面的剖分线10与第二层多面球剖分块内表面的剖分线20相互错开。值得提出的是，在剖分与组合方式1000中，所述多面球剖分块的多层组合体可以是任意面数的组合，其层数也不限于两层。例如，对于四层多面球剖分式高压装置，其各层面数可以相同；或者采用60-32-20-12面数的组合；各层剖分块的剖分线相互错开；另外，多面球剖分块各层的数目从内到外可以是20-12，32-12，32-30，60-32，60-32-12或60-32-30,还可以是12-8、12-6或8-6,或者是其中任意一种的循环式组合。图13是本实用新型的多层多面球剖分式高压装置所涉及的另一种剖分与组合方式2000的示意图。在剖分与组合方式2000中，第一层多面球剖分块组合体由20个三角形剖分块组成，其内表面构成正二十面体或圆球形腔体，其外表面构成圆球面，并与第二层多面球剖分块内表面配合；第二层多面球剖分块构成十二面球，其由12个五边形剖分块组成，其内表面构成圆球面，并与第一层多面球剖分块外表面配合，其外表面也构成圆球面，并与半球形壳体配合；第一层多面球剖分块外表面的剖分线10与第二层多面球剖分块内表面的剖分线20相互错开，第一层多面球剖分块的顶点对应第二层多面球的面心。图14是本实用新型的多层多面球剖分式高压装置所涉及的另一种剖分与组合方式3000的示意图。在剖分与组合方式3000中，第一层多面球剖分块构成三十二面球，其由12个五边形剖分块和20个六边形剖分块组成，其内表面构成三十二面体或圆球形腔体，其外表面构成圆球面，并与第二层多面球剖分块内表面配合；第二层多面球剖分块构成十二面球，其由12个五边形剖分块组成，其内表面构成圆球面，并与第一层多面球剖分块外表面配合，其外表面也构成圆球面，并与半球形壳体配合；第一层多面球剖分块外表面的剖分线10与第二层多面球剖分块内表面的剖分线20相互错开，第一层多面球剖分块的五边形剖分块面心对应第二层多面球的面心。图15是本实用新型的多层多面球剖分式高压装置所涉及的另一种剖分与组合方式4000的示意图。在剖分与组合方式4000中，第一层多面球剖分块构成六十面球，其由60个三角形剖分块组成，其内表面构成六十面体或圆球形腔体，其外表面构成圆球面，并与第二层多面球剖分块内表面配合；第二层多面球剖分块构成三十二面球，其由12个五边形剖分块和20个六边形剖分块组成，其内表面构成圆球面，并与第一层多面球剖分块外表面配合，其外表面也构成圆球面，并与半球形壳体配合；第一层多面球剖分块外表面的剖分线10与第二层多面球剖分块内表面的剖分线20相互错开，第一层多面球剖分块的顶点对应第二层多面球的面心。
权利要求1.一种多层多面球剖分式高压装置，包括多面球剖分块、壳体和紧固件，其特征在于:所述多面球剖分块分为多层，相邻两层剖分块的剖分线相互错开；最内层多面球剖分块组合构成的腔体为球形或多面体，所述腔体内放置被合成物体以及传压与密封介质；所述多面球剖分块多层组合后由半球形壳体对接并通过所述紧固件固定连接在一起。
2.根据权利要求1所述的多层多面球剖分式高压装置，其特征在于:所述多面球剖分块各层的数量相同或不同。
3.根据权利要求1所述的多层多面球剖分式高压装置，其特征在于:所述多面球剖分块各层的径向厚度相同或不同。
4.根据权利要求1所述的多层多面球剖分式高压装置，其特征在于:在所述腔体内还放置加热单元或炸药。
5.根据权利要求1至4任一项所述的多层多面球剖分式高压装置，其特征在于:所述装置设置一个或两个对顶的锥形孔，并且采用与锥形孔对应的压头施加压力；所加工的锥形孔的形状为锥面、抛物面、双曲面或组合曲面。
6.根据权利要求5所述的多层多面球剖分式高压装置，其特征在于:在所述多面球剖分块的层与层之间，或多面球剖分块与半球形壳体之间设置冷却器，并连接冷却管。
7.根据权利要求5所述的多层多面球剖分式高压装置，其特征在于:所述壳体为多层，所述壳体各层均由两个半球形壳体组成，其内表面和外表面均为半球面，或者最外层壳体的外表面为圆柱面；相邻层壳体的剖分线也相互错开。
8.根据权利要求5所述的多层多面球剖分式高压装置，其特征在于:所述紧固件是螺栓、卡箍、U形固定块或半圆形固定环。
9.根据权利要求5所述的多层多面球剖分式高压装置，其特征在于:所述壳体使用钢丝或钢带缠绕。
专利摘要本实用新型公开了一种多层多面球剖分式高压装置，涉及人造金刚石等材料的合成制备装置，属于高压技术领域。其包括多面球剖分块、壳体和紧固件，多面球剖分块分为多层，相邻两层剖分块的剖分线相互错开；最内层多面球剖分块组合构成的腔体为球形或多面体；多面球剖分块多层组合后由半球形壳体对接并固定；半球形壳体通过紧固件连接在一起。多层多面球剖分式高压装置各层受力均匀，不但能显著增加腔体容积，而且还能显著提高腔体的压力。
文档编号B01J3/06GK203018052SQ20122061361
公开日2013年6月26日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者李明哲, 刘志卫, 韩奇钢, 付文智, 蔡中义, 王伯龙, 杨云飞 申请人:吉林大学