[發明專利]用于產生超高壓的新型裝置

有效

• 申請號: 200710048839.2
• 申請日: 2007-04-10
• 公開（公告）號: CN101091895A
• 公開（公告）日: 2007-12-26
• 發明（設計）人: 賀端威;王福龍;寇自力;彭放
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: B01J3/06
• 分類號: B01J3/06
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司
• 代理人: 呂建平

技術領域

本發明涉及在材料合成中使用的的壓裝置，更具體地說，是在超硬材料合成中使用的靜高壓裝置。

技術背景

人造金剛石、立方氮化硼(cBN)、B₆O等超硬材料的合成需要高溫高壓環境，合成中使用的最主要的設備是大腔體靜高壓裝置。大腔體靜高壓裝置始于上世紀初Bridgman等發展的高壓技術，主要包括兩面體和多面體壓腔裝置，兩面體壓腔裝置(兩面頂壓機)所產生的最高壓力約為12GPa，可以滿足制備一般質量超硬材料的需要，但制備質量更高的超硬材料則需要更高的壓強。多面體壓腔裝置包括六面體壓腔裝置(六面頂壓機)和八面體壓腔裝置等，其中六面頂壓機包括拉桿式六面頂壓機、鉸鏈式六面頂壓機以及基于兩面頂壓機構架的六面頂壓機。拉桿式六面頂壓機的結構復雜，加工困難，造價極高，已很少被采用；鉸鏈式六面頂壓機的結構緊湊，加工及安裝相對簡單，造價也相對便宜，但是所能達到的最高壓強為7GPa左右，不能滿足制備高質量超硬材料的需要；基于兩面頂壓機構架的六面頂壓機，通過采用滑塊式組裝將兩面體壓腔轉變為六面體壓腔構成。八面體壓機則是在兩面頂壓機通過滑塊組裝轉變為六面頂壓機后，再在六面體壓腔內置入二級八面體增壓單元，組成二級六-八面體壓腔靜高壓裝置，其結構如附圖1所示。通常使用碳化鎢作為第二級八面體增壓單元材料，最高壓力可達30Gpa，最高溫度可達2500K(USP?3517413)，如將第二級八面體增壓單元材料換成多晶立方體氮化硼(PCBN)或金剛石(PCD)的燒結體，其最高壓力可提高至約50GPa。目前國際一流水平的靜高壓實驗室使用的多面體靜高壓裝置均基于兩面頂壓機構架。中國從美國訂購一套二級六-八面體大腔體靜高壓裝置，加上安裝費用，總計約合近五百萬元人民幣，價格昂貴。除此之外，這種基于兩面頂壓機的二級六-八面體大腔體靜高壓裝置，由于設計有將兩面頂壓機轉換為六面頂壓機的滑塊，因而存在壓強轉換率低、裝置結構復雜、運行能量消耗高、維修工作量大等不足。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術中用于產生超高壓的大腔體靜高壓裝置存在的不足，旨在提供一種結構簡單、壓強轉換率高、造價低、運行能量消耗少、維修工作量少的用于用于產生超高壓的新型裝置。

本發明所述的用于產生超高壓的新型裝置，是在六面頂壓機的六面體壓腔內增加一個八面體增壓單元，組成基于六面頂壓機構架的六-八面體大腔體靜高壓裝置。該裝置包括由六面頂壓機同步驅動的六個頂錘、八個切角正方體組成的增壓單元和用于內裝合成原料的八面體合成塊，其中，增壓單元置入與之相匹配的由六個頂錘合圍而成的六面體高壓腔內，八面體合成塊置入與之相匹配的由八個切角正方體合圍而成的八面體高壓腔內，組成增壓單元的八個正方體之間填充有硬度小于切角正方體的可形變支撐物。為了使六面頂壓機的六個頂錘在接觸增壓單元后能夠繼續前進對增壓單元施壓，頂錘作用于增壓單元的錘面尺寸應不大于增壓單元一個作用面的尺寸，頂錘的錘面尺寸與增壓單元一個作用面的尺寸之間的比例最好為1～0.5。同理，為了使八個切角正方體在接觸八面體合成塊后能夠繼續前進對八面體合成塊施壓，正方體切角后形成的切面尺寸應小于八面體合成塊一個作用面的尺寸，正方體切面尺寸與八面體合成塊一個作用面的尺寸之間的比例最好為0.95～0.1。八個切角正方體之間，除其所圍成的空腔外，選用木材或高分子材料為填充物來支撐正方體以便組成增壓單元。為了獲得更高的壓強，正方體的材質可以選用碳化鎢、金剛石、立方氮化硼、B₆O多晶燒結體中的一種，或選用碳化鎢、金剛石、立方氮化硼、B₆O多晶燒結體之間相互復合所形成的復合材料中的一種。所述六面頂壓機最好采用鉸鏈式六面頂壓機。所述六面頂壓機頂錘的材質為硬質合金鋼。

本發明所述的用于產生超高壓的新型裝置的高壓系統工作原理為，首先由六面頂壓機的液壓系統同步驅動三個頂錘空進至與八面體增壓單元接觸，頂錘在液壓系統持續推進下繼續擠壓八面體增壓單元，八面體增壓單元的八個正方體在頂錘的推動下向其所圍成的空腔壓縮，擠壓八面體合成塊，在其內部產生超高壓。由于頂錘的作用于增壓單元的錘面尺寸小于增壓單元一個作用面的尺寸，所以頂錘在整個前進的過程中不會發生碰撞，另外組成增壓單元的八個正方體之間填充有硬度小于切角正方體的可形變支撐物，所以增壓單元在整個擠壓八面體合成塊的過程中不會發生碰撞，直至八面體合成塊的壓力達到預定值，進行保壓。合成完畢后，由液壓系統驅動的頂錘退回至初始位置即可取出增壓單元，進而從增壓單元中取出合成塊。