大腔體六面頂壓機的超高壓碳化鎢頂砧新結構研究

大腔體六面頂壓機的超高壓碳化鎢頂砧新結構研究

《大腔體六面頂壓機的超高壓碳化鎢頂砧新結構研究》是依託吉林大學,由韓奇鋼擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

  • 中文名:大腔體六面頂壓機的超高壓碳化鎢頂砧新結構研究
  • 項目類別:青年科學基金項目
  • 項目負責人:韓奇鋼
  • 依託單位:吉林大學
項目摘要,結題摘要,

項目摘要

壓力作為一個基本物理條件,可以改變物質的晶體結構、電子結構和原子間的相互作用,生成許多常規條件下無法得到的新物質與新現象,拓展人類認識和改造自然的能力。因此,高壓技術在國際上受到高度重視,廣泛套用於極端條件下的凝聚態物理研究領域。本項目將針對高壓研究普遍使用的六面頂壓機的一級腔體壓力僅為6GPa的瓶頸問題,提出通過多級預緊鋼環與頂砧的過盈配合,實現頂砧材質的自增強;通過將頂砧的砧面結構改為縮減的多級凸台結構,實現腔體壓力增加的複合式碳化鎢頂砧這一新結構方案。藉助有限元熱-結構耦合模組,開展頂砧新結構的參數最佳化,揭示大質量支撐原理及側向支撐原理的影響機制;依靠高壓實驗進行理論模型修證,確立科學的高壓頂砧設計方法,並構建基於新結構碳化鎢頂砧的一級腔體壓力大於10GPa的大腔體六面頂超高壓實驗平台。滿足物質新結構與性質研究、新型功能材料的設計與合成研究對大腔體、超高壓環境的迫切需求。

結題摘要

(1)項目的背景:大腔體超高壓技術在新材料合成、新現象揭示和新理論提出等方面起著其它手段難以替代的重要作用。遺憾的是,現今高壓研究普遍使用的六面頂壓機的一級腔體壓力僅為6 GPa左右,這主要歸因於頂砧幾何參數、過盈裝配參數與高壓腔體壓力之間的轉化規律不明確,大質量支撐原理和側向支撐原理影響機制研究不系統。 (2)主要研究內容:本項目系統地開展了大腔體六面頂壓機的超高壓碳化鎢頂砧新結構的理論與實驗研究。利用數學近似的方法對真實物理系統(幾何和載荷工況)進行模擬,將有限元分析用於高壓頂砧設計,用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統,從而結合高壓實驗,短周期、低成本地確立了一種科學的高壓頂砧設計方法,並構建了一級腔體壓力為13 GPa的大腔體六面頂高壓實驗平台。 (3)重要結果、關鍵數據:①碳化鎢頂砧燒結缺陷制約著頂砧的幾何參數實驗最佳化,本項目通過有限元法開展頂砧參數的最佳化,消除了材料燒結缺陷對幾何參數的影響,研究結果表明頂砧的傳壓效率及破裂幾率伴隨著斜邊角度的增加而增加;41.5°倒角斜邊能夠最大幅度降低頂砧裂紋發生幾率,42°倒角斜邊能夠一定程度上增加頂砧的傳壓效率。②為探明過盈裝配參數的影響機制,開展了多層剖分模在0.35 mm、0.5 mm等不同過盈量取值裝配下的應力分析,研究結果表明通過增加過盈裝配層數能夠使應力分布更均勻,並提高頂砧屈服極限。③為增加六面頂壓機腔體壓力,基於大質量支撐原理及側向支撐原理,設計出可獲得13 GPa腔體壓力的凸台結構碳化鎢頂砧,其樣品腔體積可以達到14.13 mm3(直徑3 mm-厚度2 mm)。④為降低碳化鎢頂砧燒結缺陷及實驗成本,開發出複合式環形頂砧新結構,其能夠增加樣品腔體積4.88 %、傳壓效率6.72 %,降低破裂幾率40 %。⑤為增加六面頂壓機金剛石的合成產量及品質,開發出異形碳化鎢頂砧及配套腔體技術,其能夠增加腔體體積125.02 %,使配套的腔體溫度場與壓力場更為協調,從而大幅度增加金剛石合成品質。⑥為提高頂砧壽命,開發出圓角凹形頂砧及雙圓角頂砧新結構。⑦基於構建的超高壓平台,開展了高氮金剛石變色實驗,闡明了氮結構轉變機理;滿足了準晶複合材料塊體高壓燒結製備需求。 (4)科學意義:確立了一種科學的頂砧設計方法,解決了頂砧設計周期長、投入大等弊病;構建了一級腔體壓力為13 GPa的大腔體六面頂高壓實驗平台。

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