一种低温高压条件下进行气体聚合反应的装置的制作方法

本发明涉及高压物性测量领域的超高压化学反应、特别是气体聚合反应，能够在低温高压条件下合成气体聚合物并原位测量其特性的一种低温高压条件下进行气体聚合反应的装置。

背景技术：

超高压条件下能够实现常温常压下无法进行的气体聚合反应，目前的研究发现惰性气体在超高压作用下也能表现出一定的化学活性。简单的分子化合物在超高压作用下形成了很多不同结构的聚合物，如在10gpa压力条件下，甲烷-氢气体系能够生成ch4(h2)2、(ch4)2h2、ch4(h2)4、ch4h2等聚合物。一些气体分子由于超高压作用引起的电荷的转移形成了各种聚合物，目前已经发现n2o和氢气分别有不同结构的聚合物。在大洋深处发现大量存在的甲烷水合物，则是高压作用下甲烷和水形成的一种笼状结构物质。目前的高压实验还发现了很多新相态的气体水合物，如xe-h2o和h2-h2o等。此外，在洋底还发现了大量二氧化碳的水合物，这被认为是减少地球表面温室气体二氧化碳的一种可行的方法，具有重要的应用前景。

金刚石顶砧是目前唯一能够产生百万大气压以上静态压力的科学实验装置，在高压科学研究中不可替代。金刚石顶砧主要由两部分组成，即与样品直接接触并产生超高压力的一对金刚石以及用于对金刚石进行机械加压的压机，而压机由分别与一颗金刚石固定的圆柱筒以及活塞部分构成。金刚石顶砧的工作原理是利用一对具有极小台面(一般直径在几十微米量级)的金刚石通过机械方式挤压样品而产生高压环境，在两个金刚石台面形成的挤压面之间放置预先加工有样品孔的金属垫圈，样品放置在样品孔中，样品孔的直径约为金刚石台面直径的三分之一。在实验过程中需要对样品受到的压强进行监测，目前一般的压强测试方法通常使用红宝石荧光谱的方法，需要将一块红宝石与样品一起置于顶砧的样品室内，同时收集其发出的荧光。但现有技术缺陷如下，如果要达到较大的压强，就需要使用较大体积的整块金刚石，但是金刚石价格贵，而作为其低成本的替代品的钨碳化物有磁性且不透光，不适用于某些磁性或光学相关实验，另外的替代材料如蓝宝石则会在红宝石荧光谱中产生干扰信号；在某些需要将气体样品引入顶砧的实验中，通常使用低温方法和压缩气体方法，低温方法是将气体降温至液态或固态后再引入顶砧的样品室，其缺点是对每种气体都需要温度控制，一旦控温失效，样品会迅速从液态转变为气态，使得样品腔充满气泡，甚至将样品冲出样品腔；压缩气体方法是先对气体加压至200mpa左右再引入顶砧的样品室，其缺点是气体载入腔中充入了高压气体，有一定的危险性，此方法需要大量的样品气体以从200mpa的条件下压缩气体，成本高，而对于某些价格昂贵的气体如同位素气体等，则又不适用于压缩气体方法，所述一种低温高压条件下进行气体聚合反应的装置能解决问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明采用一种低温高压条件下进行气体聚合反应的装置，能够在低温高压条件下合成气体聚合物并原位测量其特性。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种低温高压条件下进行气体聚合反应的装置，主要包括螺杆i、支撑架i、螺杆ii、支撑架ii、支撑螺丝、活塞部分、下顶砧、上顶砧、圆柱筒部分、支撑台、螺杆iii、螺杆iv、光纤、样品、环氧树脂、金刚石粉末、金属垫圈、温度计、加热器、电缆、传输管及储气罐，所述金属垫圈通过电缆连接有外部仪表，所述支撑架i和支撑架ii分别均由上支撑盘、下支撑盘、连接杆组成，主要由圆柱筒部分、活塞部分、上顶砧和下顶砧组成顶砧，所述圆柱筒部分上面具有螺纹透孔，所述支撑架i的上支撑盘、下支撑盘和所述支撑台均具有竖直透孔，所述支撑架ii的上支撑盘具有螺孔，所述圆柱筒部分连接于支撑台下表面，所述上顶砧固定于圆柱筒部分内，所述下顶砧连接活塞部分的上表面，活塞部分能够在圆柱筒部分内沿z方向移动，所述支撑台通过螺杆ii连接于所述支撑架i下支撑盘的下方，所述活塞部分通过支撑螺丝固定于所述支撑架ii的下支撑盘，活塞与支撑架ii的下支撑盘之间具有垫片，所述螺杆iv、螺杆iii能够使支撑架ii的下支撑盘向下移动，活塞部分被向下推，上顶砧和下顶砧之间距离变大，从而松开金属垫圈，所述螺杆iii和螺杆iv能实现高精度可控地为样品室释放压力，引入液态反应气体后，移除所述螺杆iv和螺杆iii，再旋转螺杆i以使顶砧能够被压紧，上顶砧的下表面与下顶砧的上表面处均具有凹坑，样品外部依次包裹有环氧树脂及金刚石粉末、并置于一对金属垫圈内，一对所述金属垫圈为圆台形结构、且其中心具有直径1mm的孔，金属垫圈的形状能够贴合地嵌入所述上顶砧的下表面与下顶砧的上表面的凹坑处，材料为铜合金，厚度0.08mm，温度计和加热器分别安装于金属垫圈边缘，温度计由镍铝合金以及镍铬合金制成，金刚石粉末的尺寸为直径0.2微米，光纤依次穿过支撑架i的上支撑盘、支撑架ii的上支撑盘、支撑架i的下支撑盘、并与支撑台上表面接触，传输管一端连接所述圆柱筒部分、另一端连接储气罐，储气罐内为反应气体，通过传输管能够向上顶砧与下顶砧的凹坑之间通入反应气体，能够将气体引入各种构型的顶砧，实验中顶砧及压紧件置于一个玻璃杜瓦中，玻璃杜瓦中灌入液氦以冷却顶砧，能够用ccd摄像机或视频监视器或透镜通过玻璃杜瓦的窗，观察顶砧内的状况，所述支撑台由合成碳化硅材料制造，成本低，无磁性，透光，透x射线，能够应用在高磁场或高电场或x-射线实验中，且无需在支撑台上开口透光、在红宝石荧光中无干扰信号；所述螺杆i、支撑架i、螺杆ii、支撑架ii、支撑螺丝、螺杆iii、螺杆iv构成了用于对顶砧施加压力的压紧装置，所述支撑架i、支撑架ii通过所述螺杆i、螺杆iii、螺杆iv连接成互相交错的嵌套状、且自上而下为支撑架i的上支撑盘、支撑架ii的上支撑盘、支撑架i的下支撑盘、支撑架ii的下支撑盘，所述旋转螺杆i下端铰接于所述支撑架ii、上端位于所述支撑架i的上支撑盘，通过旋转螺杆i能够带动支撑架ii上下移动，支撑架ii向上移动时，活塞部分向上移动，以能够对顶砧产生压力，所述螺杆iv贯穿地旋入所述支撑架ii的上支撑盘的螺孔，所述螺杆iii上端抵接于螺杆iv下方、下端穿过所述支撑架i下支撑盘和所述支撑台的透孔，并贯穿地旋入圆柱筒部分上面的螺纹透孔、且与所述活塞部分上表面接触；装置使得仅需通过移动下顶砧产生压力来实现压紧，适用于各种活塞与圆柱筒结构的顶砧；在接近气体沸点的温度下引入气体时能够通过视频监控，以避免在样品引入过程中引入气泡，对样品气体的温度控制精确度要求低，引入的样品气体在装置外部的传输管中被冷却并液化，能够避免样品在顶砧的垫圈内气化以致于被冲出样品室。

利用所述一种低温高压条件下进行气体聚合反应的装置进行试验的步骤为：

一.引入气体之前，使用水作为校准样品，在室温下校准装置的压强，通过红宝石荧光方法来进行压力测量，并确定顶砧中压强与所述螺杆i的转动角度之间的关系；

二.将所述环氧树脂及金刚石粉末置于金属垫圈内表面，所述上顶砧与下顶砧的接触面之间凹坑中充入水以及少量空气，并放入一个红宝石小球以用于压强测量；

三.将顶砧置于压紧装置中，轻微转动所述螺杆i使得上顶砧、下顶砧的接触面之间的金属垫圈密封，通过监视器观察所述上顶砧、下顶砧、金属垫圈等部分的状态；

四.将装置转移至玻璃杜瓦，向玻璃杜瓦内加入液氦；

五.开启储气罐，将其内的反应气体通过传输管引入顶砧，将反应气体充入管中两分钟，以将装置内的空气排出，液氦灌入玻璃杜瓦，当杜瓦的温度降至250k，松开所述螺杆i，所述金属垫圈内的水固化后体积增加，使得金属垫圈松开；

六.当顶砧内的温度继续降至25k，接近反应气体的沸点时，释放装置内的反应气体，通过监控观察液化的反应气体，同时旋紧所述螺杆i；

七.反应气体引入完成后，将压紧装置及顶砧从玻璃杜瓦中取出，随着温度上升，调节所述螺杆i，直至上述步骤一中在室温下校准时的角度；

八.在温度升到室温后，移除所述螺杆iii和螺杆iv，旋紧所述螺杆i以产生压力；

九.将顶砧从压紧装置取出，并进一步旋紧所述螺杆i，这样，样品进一步被压缩，液态反应气体与水的反应后生成了气体聚合物；

十.通过连接金属垫圈的外部仪表，对样品进行原位测量。

本发明的有益效果是：

本发明用于释放顶砧之间压力的机构适用于气体聚合物，所述金属垫圈重量轻，温度计和加热器安装于金属垫圈边缘，使得温度计不受压力；使用0.2微米尺寸的金刚石粉末置于样品外侧上方，能够将顶砧的热量与金属垫圈隔离。使用尺寸较小的金刚石与合成碳化硅支撑台的结合，能够达到与较大的金刚石顶砧同样的压力，成本低，无磁性，透光，透x射线，能够应用在高磁场或高电场或x-射线实验中，特别是在x射线实验中，无需在支撑台上开口透光，且在红宝石荧光中没有干扰信号；本装置的特殊的压紧结构，只需要通过移动一侧的顶砧来产生压力，能够用于各种活塞-圆柱筒结构的顶砧中；因为气体的引入是在接近气体沸点的温度下完成的，减少了待测气体的浪费，另外，由于有视频监控，能够在样品引入过程中避免引入气泡，这样，无需对样品气体有精确的温度控制，再者，引入的样品气体在装置外部的传输管中被冷却并液化，样品不会在顶砧的垫圈内气化以致样品被冲出样品室。

附图说明

下面结合本发明的图形进一步说明：

图1是本发明结构示意图；

图2是图1的俯视示意图；

图3是顶砧接触面局部放大示意图。

图中，1.螺杆i，2.支撑架i，3.螺杆ii，4.支撑架ii，5.支撑螺丝，6.活塞部分，7-1.下顶砧，7-2.上顶砧，7-3.圆柱筒部分，8.支撑台，9.螺杆iii，10.螺杆iv，11.光纤，12.样品，13.环氧树脂，14.金刚石粉末，15.金属垫圈，16.温度计，17.加热器。

具体实施方式

如图1是本发明结构示意图，如图2是图1的俯视示意图，主要包括螺杆i(1)、支撑架i(2)、螺杆ii(3)、支撑架ii(4)、支撑螺丝(5)、活塞部分(6)、下顶砧(7-1)、上顶砧(7-2)、圆柱筒部分(7-3)、支撑台(8)、螺杆iii(9)、螺杆iv(10)、光纤(11)、样品(12)、环氧树脂(13)、金刚石粉末(14)、金属垫圈(15)、温度计(16)、加热器(17)、电缆、传输管及储气罐，所述金属垫圈(15)通过电缆连接有外部仪表，所述支撑架i(2)和支撑架ii(4)分别均由上支撑盘、下支撑盘、连接杆组成，主要由圆柱筒部分(7-3)、活塞部分(6)、上顶砧(7-2)和下顶砧(7-1)组成顶砧，所述圆柱筒部分(7-3)上面具有螺纹透孔，所述支撑架i(2)的上支撑盘、下支撑盘和所述支撑台(8)均具有竖直透孔，所述支撑架ii(4)的上支撑盘具有螺孔，所述圆柱筒部分(7-3)连接于支撑台(8)下表面，所述上顶砧(7-2)固定于圆柱筒部分(7-3)内，所述下顶砧(7-1)连接活塞部分(6)的上表面，活塞部分(6)能够在圆柱筒部分(7-3)内沿z方向移动，所述支撑台(8)通过螺杆ii(3)连接于所述支撑架i(2)下支撑盘的下方，所述活塞部分(6)通过支撑螺丝(5)固定于所述支撑架ii(4)的下支撑盘，活塞与支撑架ii(4)的下支撑盘之间具有垫片，所述螺杆iv(10)、螺杆iii(9)能够使支撑架ii(4)的下支撑盘向下移动，活塞部分(6)被向下推，上顶砧(7-2)和下顶砧(7-1)之间距离变大，从而松开金属垫圈(15)，所述螺杆iii(9)和螺杆iv(10)能实现高精度可控地为样品室释放压力，引入液态反应气体后，移除所述螺杆iv(10)和螺杆iii(9)，再旋转螺杆i(1)以使顶砧能够被压紧，光纤(11)依次穿过支撑架i(2)的上支撑盘、支撑架ii(4)的上支撑盘、支撑架i(2)的下支撑盘、并与支撑台(8)上表面接触，传输管一端连接所述圆柱筒部分(7-3)、另一端连接储气罐，储气罐内为反应气体，通过传输管能够向上顶砧(7-2)与下顶砧(7-1)的凹坑之间通入反应气体，能够将气体引入各种构型的顶砧，实验中顶砧及压紧件置于一个玻璃杜瓦中，玻璃杜瓦中灌入液氦以冷却顶砧，能够用ccd摄像机或视频监视器或透镜通过玻璃杜瓦的窗，观察顶砧内的状况。

所述支撑台(8)由合成碳化硅材料制造，成本低，无磁性，透光，透x射线，能够应用在高磁场或高电场或x-射线实验中，且无需在支撑台(8)上开口透光、在红宝石荧光中无干扰信号；所述螺杆i(1)、支撑架i(2)、螺杆ii(3)、支撑架ii(4)、支撑螺丝(5)、螺杆iii(9)、螺杆iv(10)构成了用于对顶砧施加压力的压紧装置，所述支撑架i(2)、支撑架ii(4)通过所述螺杆i(1)、螺杆iii(9)、螺杆iv(10)连接成互相交错的嵌套状、且自上而下为支撑架i(2)的上支撑盘、支撑架ii(4)的上支撑盘、支撑架i(2)的下支撑盘、支撑架ii(4)的下支撑盘，所述旋转螺杆i(1)下端铰接于所述支撑架ii(4)、上端位于所述支撑架i(2)的上支撑盘，通过旋转螺杆i(1)能够带动支撑架ii(4)上下移动，支撑架ii(4)向上移动时，活塞部分(6)向上移动，以能够对顶砧产生压力，所述螺杆iv(10)贯穿地旋入所述支撑架ii(4)的上支撑盘的螺孔，所述螺杆iii(9)上端抵接于螺杆iv(10)下方、下端穿过所述支撑架i(2)下支撑盘和所述支撑台(8)的透孔，并贯穿地旋入圆柱筒部分(7-3)上面的螺纹透孔、且与所述活塞部分(6)上表面接触；装置使得仅需通过移动下顶砧产生压力来实现压紧，适用于各种活塞与圆柱筒结构的顶砧；在接近气体沸点的温度下引入气体时能够通过视频监控，以避免在样品引入过程中引入气泡，对样品气体的温度控制精确度要求低，引入的样品气体在装置外部的传输管中被冷却并液化，能够避免样品在顶砧的垫圈内气化以致于被冲出样品室。

如图3是顶砧接触面局部放大示意图，上顶砧(7-2)的下表面与下顶砧(7-1)的上表面处均具有凹坑，样品(12)外部依次包裹有环氧树脂(13)及金刚石粉末(14)、并置于一对金属垫圈(15)内，一对所述金属垫圈(15)为圆台形结构、且其中心具有直径1mm的孔，金属垫圈(15)的形状能够贴合地嵌入所述上顶砧(7-2)的下表面与下顶砧(7-1)的上表面的凹坑处，材料为铜合金，厚度0.08mm，温度计(16)和加热器(17)分别安装于金属垫圈(15)边缘，温度计(16)由镍铝合金以及镍铬合金制成，金刚石粉末(14)的尺寸为直径0.2微米。

本发明使用尺寸较小的金刚石与合成碳化硅支撑台的结合，能够达到与较大的金刚石顶砧同样的压力，成本低，无磁性，透光，透x射线，能够应用在高磁场或高电场或x-射线实验中，且无需在支撑台上开口透光，并在红宝石荧光谱中没有干扰信号；本装置的特殊的压紧结构，只需要通过移动一侧的顶砧来产生压力，能够用于各种活塞-圆柱筒结构的顶砧中，特别是适用于气体聚合物样品的制备，且减少了待测气体的浪费，并能够有效隔离顶砧与金属垫圈之间的热量传导。另外，由于有视频监控以及气体在装置外部的传输管中被冷却并液化，避免了样品引入过程中气泡的引入，且样品不会在顶砧的垫圈内气化以致样品被冲出样品室。