小型旋转式金刚石对顶砧压机装置的制作方法

本发明属于高温高压条件下物理量原位测量装置的技术领域，特别涉及用于在金刚石对顶砧中进行高温高压同时施加剪切力等极端条件下样品各种物理量测量的装置。

背景技术：

金刚石对顶砧是目前唯一能够产生百万大气压静态压力的科学装置，是高压科学与技术研究领域中最重要的科学仪器。金刚石对顶砧实验技术不仅可以实现静态条件下最高的实验温度和压力，同时还可以进行高温高压下物质的原位观察和许多仪器的原位测量，如显微镜观察，红外光谱，激光拉曼光谱，布里渊散射，X射线衍射(吸收、荧光等)，电学、磁学、声学等性质的原位测量和研究，这是其他高温高压实验装置所无法比拟的。金刚石对顶砧的突出优点是其装置体积很小，易于操作和非常安全。

根据已报道的理论和实验结果，高压条件下同时施加剪切力对物质的结构有显著的影响，在高压条件下同时对样品施加剪切力能够获得一些静态高压下得不到的新结构、新现象和新性质。目前实现静态加压的金刚石对顶砧实验技术已经十分成熟，而可以实现旋转加压的少有报道。中国的专利“垂直与旋转复合加压式多砧压机”(公开号CN203061154)的装置使压机具有旋转加压功能，但是样品所获得的压力仅能达到几十万个大气压并且装置结构复杂。

技术实现要素：

本发明目的在于克服传统压机在高压条件下不能同时对样品施加剪切作用的问题，提供一种结构简单、体积小巧同时可以实现高压条件下对样品施加剪切作用的装置。

实现本发明目的的技术方案为：

一种小型旋转式金刚石对顶砧压机装置，其结构由加压螺丝3、碟形弹簧片4、压机下外圆筒7、紧固螺丝8、金刚石压砧9、垫片10、样品腔11、托块12和上压机组成，其特征在于，所述的上压机由旋转杆插孔1、滚珠轴承2、压机上外圆筒5、压机内活塞6、刻度盘13、旋转杆14和刻度盘标度线15构成；压机内活塞6的外壁与压机上外圆筒5及压机下外圆筒7内壁均紧密扣合，滚珠轴承2置于压机上外圆筒5和压机内活塞6之间，金刚石压砧9位于压机内活塞6和压机下外圆筒7扣合后的内部空间，金刚石压砧10的顶端和底端均放置有托块12，压机整体结构由高强度合金钢构成，压机上外圆筒5和压机下外圆筒7间紧密配合并用加压螺丝3固定成整体；压机上外圆筒5的顶端有刻度盘13；所述的压机内活塞6是内部中空外部变径的圆柱体结构，中空部分是直径固定的圆筒状的，外部的形状为三个同轴圆柱的组合，且顶部圆柱和底部圆柱的直径均小于中部圆柱的直径，滚珠轴承2套于顶部圆柱上且紧贴中部圆柱的上端，旋转杆插孔1是一个横穿压机内活塞6的轴线的圆孔，位于压机内活塞6上靠近压机内活塞6顶端的位置，在压机内活塞6的顶部侧面有刻度盘标度线15，旋转杆14是一个能够插入旋转杆插孔1的圆柱形杆。

本发明将滚珠轴承技术与传统压机技术相结合，将传统上压机分解为圆筒状活塞罩(压机上外圆筒5)和变径圆柱状活塞(压机内活塞6)两部分，将滚珠轴承2整合到压机上外圆筒5和压机内活塞6之间，从而构建了一种小型旋转式金刚石对顶砧压机装置；小型旋转式金刚石对顶砧压机克服了传统压机无法对样品施加剪切作用的问题。本发明不仅结构简单、体积小巧、可以实现多种物理量的原位测量，易于操作，而且使样品能获得上百万个大气压，可以实现垂直加压、旋转加压或垂直旋转同时加压。同时本发明上压砧与下压砧可以相对旋转任意角度，压机上外圆筒5顶面刻有刻度盘13，压机内活塞6的顶部侧面有刻度盘标度线15，因此施加剪切作用的同时可以测量上下压砧相对旋转角度，剪切作用可以有效调节，这样可以研究样品在不同剪切作用下的性质。为高压高剪切作用条件下对物质的性质研究工作提供了坚实的技术基础。

根据已有报道，在高压条件下同时施加剪切作用对物质的结构有显著影响，会明显加速物质的晶格畸变，降低物质相变压力，甚至改变其相变路径。因而该小型旋转式金刚石对顶砧压机解决了传统压机在高压条件下不能同时对样品施加剪切作用的问题，所以使用该压机技术进行实验能够获得一些单独高压环境下得不到的新结构、新现象和新性质。

综上，本发明有以下有益效果：

1、本发明不仅结构简单、体积小巧，可以实现原位测量，而且使样品所获得的压力可以达到上百万个大气压。

2、本发明可以实现垂直加压、旋转加压或垂直旋转同时加压。

3、本发明上压砧与下压砧可以相对旋转任意角度，剪切作用可以有效调节，这样可以研究样品在不同剪切作用下的性质。

附图说明：

图1为带有刻度盘13的压机上外圆筒5的俯视图。

图2为本发明的小型旋转式金刚石对顶砧压机组装结构纵剖面示意图。

图3为图2中的压机上外圆筒5、压机内活塞6和压机下外圆筒7的纵剖面分解示意图。

图4为本发明的小型旋转式金刚石对顶砧压机正视图。

图5为旋转杆14的三维视图。

图6为滚珠轴承2的结构示意图。

具体实施方式

实施例1结合附图说明本发明的小型旋转式金刚石对顶砧压机的结构

本发明的小型旋转式金刚石对顶砧压机的结构如附图1～6所示。结构包括旋转杆插孔1、滚珠轴承2、加压螺丝3、碟形弹簧片4、压机上外圆筒5、压机内活塞6、压机下外圆筒7、紧固螺丝8、金刚石压砧9、垫片10、样品腔11、托块12、压机刻度盘13、旋转杆14和刻度盘标度线15。压机内活塞6的外壁与压机上外圆筒5及压机下外圆筒7内壁均能紧密扣合，滚珠轴承2置于压机上外圆筒5和压机内活塞6之间，金刚石压砧9位于压机内活塞6和压机下外圆筒7扣合后的内部空间，金刚石压砧10的顶端和底端均放置有托块12，压机整体结构由高强度合金钢构成，压机上外圆筒5和压机下外圆筒7间紧密配合并用加压螺丝3固定成整体；压机上外圆筒5的顶端有压机刻度盘13；所述的压机内活塞6是内部中空外部变径的圆柱体结构，中空部分是直径固定的圆筒状的，外部的形状为三个同轴圆柱的组合，且顶部圆柱和底部圆柱的直径均小于中部圆柱的直径，滚珠轴承2套于顶部圆柱上且紧贴中部圆柱的上端，旋转杆插孔1是一个横穿压机内活塞6的轴线的圆孔，位于压机内活塞6上靠近压机内活塞6顶端的位置，在压机内活塞6的顶部侧面有刻度盘标度线15，旋转杆14是一个能够插入旋转杆插孔1的圆柱形杆。

本发明的小型旋转式金刚石对顶砧压机与现有技术相同的结构有：压机下外圆筒7，一对金刚石压砧9，压机与金刚石压砧9之间放置的托块12，托块12由紧固螺丝8固定于压机内部，两颗金刚石压砧之间放置的垫片10，垫片10上与金刚石压砧砧面对应位置处加工有孔洞，该孔洞即为样品腔11，压机上外圆筒5和压机下外圆筒7间紧密配合并用加压螺丝3固定成整体，压机上外圆筒5，压机内活塞6和压机下外圆筒7的材料均为高强度合金钢。

本发明的小型旋转式金刚石对顶砧压机与现有技术不相同的结构是：压机上外圆筒5与压机内活塞6紧密扣合，滚珠轴承2置于压机上外圆筒5和压机内活塞6之间，还可在滚珠轴承2与压机上外圆筒5和压机内活塞6的接触部分涂抹润滑油。压机内活塞5上部加工有旋转杆插孔1，旋转杆14通过旋转杆插孔1可插入压机内活塞6。由压机上外圆筒5、滚珠轴承2和压机内活塞6及旋转杆14组成旋转系统。压机上外圆筒5顶面刻有360度刻度盘13，压机内活塞6顶部侧面刻有刻度盘标度线15用于对样品施加剪切作用时旋转角度的测量。上述结构组成小型旋转式金刚石对顶砧压机。

实施例2本发明的小型旋转式金刚石对顶砧压机的组装过程

首先将两个金刚石压砧9清洗干净，然后利用修补剂将金刚石压砧9固定在托块12上，将上下两托块12分别放置于压机下外圆筒7和压机内活塞6中，并用紧固螺丝8固定托块12，经过调平对中，使得上下两金刚石压砧9的砧面平行并完全重合。被测样品就封装在两个金刚石压砧9之间，用预先压制好的垫片10进行封压。将涂有润滑油的滚珠轴承2套于压机内活塞6上，使压机上外圆筒5套于压机内活塞6上并覆盖滚珠轴承2。将旋转杆14置于旋转杆插孔1中，旋紧加压螺丝3。上述过程为小型旋转式金刚石对顶砧压机的组装过程。

实施例3压力及剪切作用的施加

本发明的小型旋转式金刚石对顶砧压机采用螺丝加压式加压装置，通过对称分布的四个加压螺丝3在压机下外圆筒7的螺纹旋进对压机内活塞6推挤以实现对金刚石压砧9的加压。加压螺丝3上的碟形弹簧片4保证了作用到金刚石压砧9上的加载力的均匀和恒定。上述过程为垂直加压过程。在垂直压力一定的情况下，即加压螺丝3保持一定旋进量的条件下，通过旋转杆14的旋转使上下两个金刚石压砧9发生相对旋转，并通过压机内活塞6顶部侧面的刻度盘标度线15和压机上外圆筒5顶端的的刻度盘13读出相对旋转角。上述过程为施加剪切作用的过程。在调整加压螺丝3的旋进量的同时通过旋转杆14旋转使上下两个金刚石压砧9发生相对旋转，并通过刻度盘13读出相对旋转角。上述过程为垂直加压同时施加剪切作用的过程。