靜態高壓技術

靜態高壓技術（static high pressure technique）是用靜態壓縮方法獲得高壓極端條件的技術。靜態壓縮過程是足夠緩慢的，以至於壓縮熱可以與外界環境進行熱交換而保持介質的溫度不變。因此靜態高壓是等溫壓縮。

基本介紹

• 中文名：靜態高壓技術
• 外文名：static high pressure technique
• 簡介：產生、維持和測量靜態高壓的技術
• 釋義：專業名詞
• 涉及學科：物理

靜態高壓技術介紹

靜態高壓技術是產生、維持和測量靜態高壓的技術。靜態高壓是指可以相對長期維持的高壓強。所謂相對長期是指有足夠的時間，把壓縮功所產生的熱量通過熱傳導的方式與環境溫度平衡。因此靜態高壓是等溫壓縮過程。

靜態高壓技術原理

在凝聚態物理中，針對不同的研究領域，又有各種特殊技術要求。例如在合成材料方面要求高溫高壓；在超導性方面要求低溫高壓；在磁學方面要求高壓容器可穿透磁場；在光學方面要求高壓容器對所研究的光波是“透明”的等等。然而在產生和維持壓力的方面都有以下幾個主要的普遍技術：

自增強效應在使用高強度金屬厚壁圓筒容器時，為了擴大容器承壓能力，可採用超壓條件下使壁層的某一區域A（通常是小於壁厚的1/3處）發生范性變形，而B區仍為彈性變形(圖1)。卸壓後,范性層A由於存在殘餘變形而不能恢復原狀。彈性層B則可恢復原狀。可是由於A層殘餘變形的障礙，使其只存在復原的趨勢。於是彈性層B就對范性層A產生了往裡壓縮的趨勢，如同箍的作用。這就是通常所謂預應力狀態。當厚壁筒內壓力升高時,首先是克服范性層A所受的預應力,然後才使B區彈性變形。其結果就擴大了高壓容器的承壓範圍。這種容器一般在2GPa壓力範圍使用。多用於容器外徑受限制的情況下。如低溫高壓實驗裝置等。

預應力箍技術

預應力箍技術這是用一層或多層高強度鋼的外箍，強制箍緊高壓容器給以預應力的辦法。這可以擴大圓筒型高壓容器的承壓能力。根據工作情況又可分為固定箍緊式和同步箍緊式兩類。圖2的壓砧-壓缸型高壓裝置就是一種典型的固定箍緊式。硬質合金壓缸 B由D、E、F三層鋼箍預緊,構成環狀容器（亦稱帶狀容器或年輪容器）。它多用於高溫高壓實驗。最高壓力可達10GPa，溫度約1500℃。

圖3是同步箍緊式的活塞圓筒型高壓裝置。高強度圓筒鋼容器是由兩層鋼箍箍緊的。它們的預緊力隨著高壓腔壓力的升高同步增長。這樣，使高壓容器受力狀態更加合理。這種裝置可獲得較大的流體靜壓力空間。最高壓力可達4GPa左右。可用於電學、熱學、聲學和力學等實驗。

大支座原理

大支座原理在圖 4布里奇曼對頂砧式高壓裝置中，毗鄰高壓區的壓砧頂端，局部壓應力很大。為使壓砧所受的壓應力逐漸減弱，採取金字塔形結構，加大後支承部分的截面積，使壓應力分散。這就是大支座的實質。有時為了加強壓砧後底座的支承能力，還用鋼箍施加預應力（圖4a）。

對頂砧高壓裝置的壓力空間非常微小，但壓力很高。若用硬質合金壓砧,可達15GPa。一般常用固體傳壓介質，在高壓腔里壓力分布很不均勻,中心高,邊沿低。為了擴大高壓腔體積和改善壓力均勻性，可把壓砧頂面改為凹球面狀；稱之為凹砧。凹砧裝置的壓力較低，可用於高溫高壓合成實驗。若採用金剛石做壓砧（圖4b），在鋼質封墊薄片的小孔中，裝入固體(粉末)、液體或氣體進行壓縮，目前最高壓力已達50GPa左右。若用無孔封墊進行壓縮,已獲得近200GPa的準靜水壓力。這種金剛石對頂砧超高壓裝置，可用於電阻、X射線和光學等實驗。

用四個以上的硬質合金壓砧向中心擠壓，圍成一定幾何形狀的高壓腔，構成多壓砧高壓裝置。這類裝置均以固體為傳壓介質,具有較大的高壓腔體,壓力對稱性較好。第一台多壓砧裝置是1958年美國的四面頂壓機。圖5是1961年中國科學院物理研究所研製的四面頂壓機。分布在四面體頂端的四個油缸活塞，各自同步推進一個壓砧，擠壓葉蠟石固體傳壓介質。每個壓砧的頂面為等邊三角形，它們圍成一個小四面體高壓腔。以此類推，六壓砧裝置就是頂面為正方形的六個壓砧圍成一個小六面體高壓腔。多壓砧裝置還可以採用滑塊在斜滑面上沿一定角度滑移來驅動，以達到壓砧向心運動的效果。六壓砧裝置可以有四斜滑面型和三斜滑面型兩類，可統稱為斜滑面六壓砧高壓裝置，也可稱為緊裝六壓砧高壓裝置。

多壓砧裝置還可演變為分割球裝置、滑塊裝置等。總之它們都運用了大支座原理。

無支承面密封原理在圖6中F力推動活塞桿1,將力由上活塞頭通過軟封墊傳至下活塞頭壓縮液體產生壓力p。如果不考慮摩擦，那么壓力p等於力F除以活塞頭大端面積A。即

，而下活塞頂端頭部是無支承的,其面積為C。此處F力是由軟封墊環形面積B支承的。於是軟封墊所受的壓強為

因為Bp,這樣就阻止了液體往外泄漏。目前在高壓技術中廣泛運用無支承面密封原理。根據不同的工作壓力範圍和使用條件，密封墊材料可以選用橡膠、聚四氟乙烯、銅、鋼材等等。結構的形式也是多種多樣的。這種密封多用於液體和氣體介質的情況。

壓縮封墊密封法它普遍用於壓砧型(包括多壓砧)高壓裝置和壓砧－壓缸型高壓強裝置。對封墊的結構和材質作適當的選配，使封墊的壓縮比大於高壓腔傳壓介質的壓縮比，這樣就能使封墊的壓強大於高壓腔的壓強，以達到密封的效果。

傳壓介質它是傳遞壓強的媒介物質。根據不同的使用要求和壓力範圍，傳壓介質可以用氣體、液體或固體。對傳壓介質的共同要求是在使用的壓力範圍內必須是穩定相和無化學腐蝕性。氣體和液體流動性好。這類傳壓介質，可以在高壓腔中獲得均勻的壓力。這種壓力稱之為流體靜水壓，簡稱靜水壓。①氣體介質流動性最好，通常又能承受高溫和低溫，又具備電絕緣性能。但氣體的壓縮率很大，因此產生高壓的技術與設備都比較複雜，危險性也大。常用的氣體介質有氮氣、氬氣和氦氣等化學性質穩定的氣體。②液體介質的流動性和壓縮率都比較差。常用的液體介質有甘油、變壓器油、煤油、航空汽油、石油醚、戊烷與異戊烷混合液等等。液體介質的粘滯度隨壓力的升高而增大,以致固化。它們的使用壓強在4GPa以下。目前人們用甲醇和乙醇按體積比4∶1的混合液作為傳壓介質,在室溫下可達10GPa。高溫分解和低溫凝固，是液體介質的缺點。③固體介質是選用剪下強度低的固體。由於固體流動性很差。所以在高壓腔內不同位置的壓力是不一樣的，但分布起伏仍小於或遠小於總值。這種分布不均勻的壓力稱之為準靜水壓力。通常在高溫高壓條件下工作時，還要求固體傳壓介質具有熱穩定性、絕熱和電絕緣等性能。常用的有葉蠟石、滑石、立方氮化硼等等。氯化銀在常溫下能獲得更加均勻的壓力。硼、氯化鈉、氫化鋰等是適於X 射線實驗中使用的固體傳壓介質。銦、鉛等可用於不要求電絕緣的實驗中作為傳壓介質。

高壓力測量

高壓力測量高壓力測量可以分為直接測量和間接測量兩大類。直接測量又分為初級和次級兩種方法。

初級測壓法

活塞壓力計是一種高精度的初級測壓法。結構原理如圖7所示。截面積為S的活塞，直接與高壓液體傳壓介質接觸。在活塞上加砝碼F,並使活塞按一定的角速度旋轉。當整個體系處於平衡時，腔中的壓力p可由公式

求得。這裡η是液體粘滯度、活塞所受的摩擦以及活塞與腔體的形變等因素的修正因子。目前這種壓力計最高測量壓力為2.5GPa左右。

次級測量法

次級測量法是運用材料的某些物理量隨壓力變化的特性，製造成特定的測壓元件，常用的有以下幾種：

① 壓力表。也稱彈簧管壓力表或波爾登管壓力表（圖8）。它是由一個預彎曲的金屬管和槓桿、齒輪、遊絲等傳動零件以及指針、錶盤等指示零件組成的。當壓力流體充入彈簧管時，彈簧管的曲率將在彈性範圍內發生變化。通過槓桿、齒輪等帶動指針，在預先刻度的錶盤上指示出流體的壓力值。目前這種壓力計最高測量壓力為2.5GPa 左右。

② 錳鎳銅合金絲的電阻隨壓力的升高呈線性關係增大。用這種合金絲繞成無電感線圈經過處理並通過壓力校正，測定出電阻壓力係數，即成為一個錳銅絲電阻壓力計。只要測出其電阻值，便可得知壓力值。用這種壓力計測量液體介質的最高壓力已達5GPa左右。

③ 氯化鈉標壓劑。用於高壓下X 射線衍射或中子衍射實驗。通常在樣品中摻入適量的氯化鈉，測定其點陣參量，根據已知的狀態方程，擬出氯化鈉的體積與壓力的關係曲線,便可求出壓力。這種方法適於20GPa以下的壓力測量。

④ 含0.5%鉻離子的紅寶石微粒,用波長為4416┱的氦鎘雷射激發,可出現波長為6943┱的R1和6928┱的R2兩條螢光譜線。隨著壓力的升高它們都向著長波的方向移動稱之為紅移。 在20GPa壓力範圍內被認為是線性函式關係。R1線的斜率為

kbar/┱。在1Mbar(百萬巴)壓力範圍內壓力與R1線波長的關係如下式

式中λ0為常壓下R1線波長；Δλ為加壓後波長增量；a=19.04；b=5。

這是一種敏捷而精確的次級測壓法，被稱為紅寶石壓力計。它最適於透明的金剛石對頂砧超高壓裝置採用。目前最高使用壓力近2Mbar。

壓力標定某些物質在特定的壓力下發生相變時，它們的某些物理性質（例如：電、光、熱等等）會發生突變。利用這些特徵作為相變壓力定點的標幟，來校正次級壓力計。或用於間接測壓法，確定外加截荷與高壓腔里的壓力關係。以上這兩種用法均稱為壓力標定或稱壓力校正。

由於電阻是高壓下較容易測量的物理量，因此通常把相變時電阻變化較明顯的物質作為壓力標定樣品。隨著高壓研究的不斷深入，壓力標定的數據也逐漸精確。表列出美國國家標準局的一些數據。