專利名稱：用于產生超高壓的新型裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)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。
背景技術：
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(huán)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(fā)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?yōu)榱骟w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?yōu)榱骓攭簷C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(fā)明內容
本發(fā)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(fā)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(xù)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(xù)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(fā)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(xù)推進下繼續(xù)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(fā)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(fā)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。
本發(fā)明所述的一種用于產生超高壓的新型裝置的加熱系統工作原理為，電源的兩端與六面頂壓機的一對相對的頂錘(一般為上下頂錘)相連，頂錘在與增壓單元相應的正方體接觸后形成電連接，正方體通過切角面與八面體合成塊的發(fā)熱體電連接，形成一個閉合回路。八面體合成塊中的發(fā)熱體在通電后發(fā)熱，產生高溫環(huán)境，對原料進行合成。
本發(fā)明所述的一種用于產生超高壓的新型裝置與現有的基于二面頂構架的二級六-八面體大腔體靜高壓裝置相比，主要的優(yōu)點在于1、本發(fā)明所述裝置可產生約50GPa、3000K的高溫高壓條件，整體性能優(yōu)于現有的同類設備。
2、從力學原理角度講，在六面頂壓腔中直接內置二級八面體增壓單元，比基于兩面頂壓機構架的二級六-八面體壓腔裝置產生壓強的效率更高。這是因為基于兩面頂壓機構架的二級六-八面體靜高壓裝置首先采用滑塊組裝將兩面體壓腔轉換成六面體壓腔，在兩面體壓腔轉換成六面體壓腔的過程中，摩擦力帶來的消耗功不可避免，大大降低了壓強的轉換效率；而本發(fā)明所述的靜高壓裝置則完全省卻了這一步，實現了直接從六面體壓腔向八面體壓強轉換。
3、從設計、制造、安裝角度講，本發(fā)明省卻了兩面體壓腔到六面體壓腔轉換這一步，節(jié)省了設計、制造和安裝成本，節(jié)約了原材料，使成本大大降低，僅為同噸位的基于兩面頂壓機構架的二級六-八面體靜高壓裝置的四分之一左右。
4、從運行的角度講，本發(fā)明省卻了兩面體壓腔到六面體壓腔轉換這一步，減少了能量傳遞的過程，避免了摩擦力轉化為熱能等其他能量所做負功，節(jié)省了能源。
5、從維護的角度講，本發(fā)明省卻了兩面體壓腔到六面體壓腔轉換這一步，減少了設備出錯率，提高了設備運行穩(wěn)定性，增加了設備使用壽命，減少了維修人員工作量。
本發(fā)明所述裝置還具有其它方面的優(yōu)點。


附圖1為基于二面頂壓機構架下的二級六-八面體靜高壓裝置示意圖；附圖2為本發(fā)明的基于六面頂壓機構架的八面體靜高壓裝置示意圖；附圖3為八面體增壓單元結構的放大示意圖；附圖4為增壓單元中一個正方體的放大圖；附圖5為八面體合成塊的放大圖。
附圖中各標號標示對象為1-八面體增壓單元，2-二面頂壓機頂錘，3-二面頂壓機向六面頂壓機轉換用滑塊，4-六面頂壓機的頂錘，5-八面體高壓腔，6-增壓單元中的正方體，7-正方體的切角面，8-合成塊，9-六面體高壓腔。
具體實施例方式
用于產生超高壓的新型裝置，其結構如圖2、3、4所示，為鉸鏈式六面頂壓機構架的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4、八個切去一角的正方體6組成的八面體增壓單元1和用于內裝合成原料的八面體合成塊8，其中，頂錘4的材質為硬質合金鋼，增壓單元1置入與之相匹配的由六個頂錘4合圍而成的六面體高壓腔9內，八面體合成塊8置入與之相匹配的由材質為WC的正方體6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木材支撐物。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(xù)前進對增壓單元施壓，頂錘的作用于增壓單元的錘面尺寸與增壓單元一個作用面的尺寸的比例為0.8(比例在1至0.5范圍)。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(xù)前進對八面體合成塊施壓，正方體切角后形成的切面尺寸與八面體合成塊一個作用面的尺寸的比例為0.7(比例在范圍1至0.1)。
權利要求
1.一種用于產生超高壓的新型裝置，其特征在于包括由六面頂壓機同步驅動的六個頂錘(4)、八個切角的正方體(6)組成的增壓單元(1)和用于內裝合成原料的八面體合成塊(8)，其中，增壓單元(1)置入與之相匹配的由六個頂錘(4)合圍而成的六面體高壓腔(9)內，八面體合成塊(8)置入與之相匹配的由正方體(6)合圍而成的八面體高壓腔(5)內，組成增壓單元的八個正方體(6)之間填充有硬度小于切角正方體的可形變支撐物。
2.根據權利要求1所述的用于產生超高壓的新型裝置，其特征在于所述頂錘(4)作用于增壓單元(1)的錘面尺寸不大于所述增壓單元(1)一個作用面的尺寸。
3.根據權利要求2所述的用于產生超高壓的新型裝置，其特征在于所述頂錘(4)作用于增壓單元(1)的錘面尺寸與所述增壓單元(1)一個作用面的尺寸比例為1～0.5。
4.根據權利要求1所述的用于產生超高壓的新型裝置，其特征在于所述正方體(6)切角后形成的切面(7)尺寸小于所述八面體合成塊一個作用面的尺寸。
5.根據權利要求4所述的用于產生超高壓的新型裝置，其特征在于所述正方體(6)切角后形成的切面(7)尺寸與所述八面體合成塊一個作用面的尺寸比例為0.95～0.1。
6.根據權利要求1所述的用于產生超高壓的新型裝置，其特征在于所述頂錘(4)的材質為硬質合金鋼。
7.根據權利要求1所述的用于產生超高壓的新型裝置，其特征在于所述切角正方體(6)的材料選自碳化鎢、金剛石、立方氮化硼、B6O多晶燒結體中的一種，或選自它們之間的復合材料中的一種。
8.根據權利要求1所述的用于產生超高壓的新型裝置，其特征在于所述支撐物選用木材或高分子材料。
9.根據權利要求1至8中任一權利要求所述的用于產生超高壓的新型裝置，其特征在于所述六面頂壓機為鉸鏈式六面頂壓機。
全文摘要
一種用于產生超高壓的新型裝置，包括由六面頂壓機同步驅動的六個頂錘(4)、八個切去一角的正方體(6)組成的增壓單元(1)和用于內裝合成原料的八面體合成塊(8)，其中，增壓單元(1)置入與之相匹配的由六個頂錘(4)合圍而成的六面體高壓腔(9)內，八面體合成塊(8)置入與之相匹配的由正方體(6)合圍而成的八面體高壓腔(5)內，組成增壓單元的八個正方體(6)之間填充有硬度小于切角正方體的可形變支撐物。本發(fā)明與現有技術的基于二面頂構架的二級六—八面體靜高壓裝置相比，具有結構簡單、壓強轉換率高、造價低、運行能量消耗少、維修工作量少等優(yōu)點。
文檔編號B01J3/06GK101091895SQ200710048839
公開日2007年12月26日 申請日期2007年4月10日 優(yōu)先權日2007年4月10日
發(fā)明者賀端威, 王福龍, 寇自力, 彭放 申請人:四川大學