Пресс с несколькими наковальнями или пресс с наковальней - это тип устройства, относящийся к машинному прессу, который используется для создания чрезвычайно высокого давления в небольшом объеме.
Прессы с наковальней используются в материаловедении и геологии для синтеза и изучения различных фаз материалов под экстремальным давлением, а также для промышленного производства ценных минералов, особенно синтетических алмазов , поскольку они имитируют давления и температуры, существующие глубоко в недрах. Земля. Эти инструменты позволяют одновременно сжимать и нагревать образцы твердой фазы миллиметрового размера, такие как горные породы , минералы , керамика , стекло , композитные материалы или металлы, и способны достигать давления выше 25 ГПа.и температуры, превышающие 2500 ° C. Это позволяет физикам-минераловодам и петрологам, изучающим недра Земли, экспериментально воспроизвести условия, наблюдаемые в литосфере и верхней мантии , области, которая простирается от поверхности до глубины 700 км. В дополнение к прессованию образца, эксперимент пропускает электрический ток через печь внутри сборки для создания температуры до 2200 ° C. [1] Хотя ячейки с алмазными наковальнями и легкие газовые пушки могут работать даже при более высоких давлениях, устройство с несколькими наковальнями может работать с гораздо большими образцами, что упрощает подготовку образцов и повышает точность измерений и стабильность экспериментальных параметров.
Пресс с несколькими наковальнями - относительно редкий исследовательский инструмент. Два пресса Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса использовались для различных исследований свойств материалов, включая диффузию и деформацию керамики и металлов, глубинное землетрясение и стабильность минеральных фаз при высоком давлении.
История
Аппарат с несколькими наковальнями 6-8 был введен Каваи и Эндо [2] с использованием разделенной стальной сферы, подвешенной в масле под давлением, позже модифицированной [3] для использования гидроцилиндра. В 1990 году Уокер и др. [4] упростил первую стадию сжатия, представив конструкцию съемной шляпной коробки, что позволило превратить обычные машинные прессы в системы с несколькими наковальнями. Были представлены и стандартизированы различные конструкции сборок, в том числе отливка Walker [5] и сборки COMPRES. [6] Последние достижения сосредоточены на измерениях на месте, стандартизации материалов и калибровке.
Основной дизайн
Типичный аппарат с несколькими наковальнями Kawai cell 8–6 использует воздушные насосы для повышения давления масла, которые приводят в движение вертикальный гидроцилиндр для сжатия цилиндрической полости, известной как шляпная коробка. Эта полость заполнена шестью стальными наковальнями, три из которых направлены вверх и три вниз, которые сходятся на наборе из восьми кубиков карбида вольфрама . Внутренние углы этих кубов усечены, чтобы соответствовать восьмигранной сборке. Они варьируются от октаэдров 8 мм до 25 мм от края , и , как правило , состоит из оксида магния или другого материала , который деформируется ductilely в диапазоне условий эксперимента, чтобы убедиться , что эксперимент находится под гидростатическим напряжением. Когда эта сборка сжимается, она выдвигается между кубиками, образуя прокладку. Между двумя противоположными гранями просверливается цилиндр для проведения эксперимента. Эксперименты, требующие нагрева, проводятся в цилиндрической цилиндрической печи из графита или хромита лантана , которая может выделять значительное количество тепла за счет электрического сопротивления. Однако графитовая печь может вызывать проблемы при более высоких давлениях из-за ее тенденции превращаться в алмаз. Многоярусная наковальня DIA является основной альтернативой ячейке Каваи: она использует шесть наковальней для сжатия кубического образца. [4]
Теория
В принципе, пресс с несколькими наковальнями аналогичен по конструкции машинному прессу, за исключением того, что он использует увеличение силы для усиления давления за счет уменьшения площади, на которую прикладывается сила:
Это аналогично механическому преимуществу, используемому рычагом , за исключением того, что сила прикладывается линейно, а не под углом. Например, типичная многоярусная наковальня могла бы приложить 9 806 650 Н (эквивалент нагрузки 1000 т ) к 10-миллиметровому октаэдрическому узлу с площадью поверхности 346,41 мм2, чтобы создать давление 28,31 ГПа внутри образца, в то время как давление в гидроцилиндре всего 0,3 ГПа. Следовательно, использование более мелких сборок может увеличить давление в образце. Допустимая нагрузка ограничена пределом текучести кубиков карбида вольфрама при сжатии, особенно для экспериментов с подогревом. Еще более высокие давления, до 90 ГПа, были достигнуты за счет использования 14 мм спеченных алмазных кубов вместо карбида вольфрама. [7]
Измерения на мульти-наковальне
Большинство анализов образцов проводится после того, как эксперимент закаливают и снимают с опоры. Однако также можно проводить измерения на месте. Цепи, включая термопары или резисторы с переменным давлением, могут быть встроены в сборку для точного измерения температуры и давления. Акустическая интерферометрия может использоваться для измерения сейсмических скоростей через материал или для определения плотности материалов. [8] Удельное сопротивление можно измерить с помощью спектроскопии комплексного импеданса. [9] Магнитные свойства могут быть измерены с помощью усиленного ядерного магнитного резонанса в специально сконфигурированных множественных наковальнях. [8] Конструкция с несколькими наковальнями DIA часто включает алмазные или сапфировые окна, встроенные в вольфрамовые наковальни, позволяющие рентгеновским лучам или нейтронам проникать в образец. [10] Этот тип устройства дает исследователям синхротронных источников и источников нейтронного расщепления возможность проводить дифракционные эксперименты для измерения структуры образцов в экстремальных условиях. [11] Это важно для наблюдения неугасаемых фаз вещества, поскольку они кинетически и термодинамически нестабильны при низких температурах и давлении. [12] Вязкость и плотность расплавов высокого давления могут быть измерены на месте с использованием метода погружения поплавка и нейтронной томографии. В этом методе образец имплантируется объектами, такими как платиновые сферы, которые имеют другую плотность и свойства рассеяния нейтронов по сравнению с окружающим их материалом, и отслеживается путь объекта, когда он опускается или плавает в расплаве. Два объекта с контрастной плавучестью могут использоваться одновременно для расчета плотности. [8]
Приложения
Давление, как и температура, является основным термодинамическим параметром, который влияет на молекулярную структуру и, следовательно, на электрические , магнитные , термические , оптические и механические свойства материалов. Такие устройства, как аппарат с несколькими наковальнями, позволяют нам наблюдать влияние высокого давления на структуру и свойства материала. Прессы с несколькими наковальнями иногда используются в промышленности для производства минералов исключительной чистоты, размера и качества, особенно синтетических алмазов при высоком давлении и высокой температуре (HPHT) и нитрида бора. Однако мульти-наковальни - это дорогостоящие устройства, которые легко адаптируются, поэтому их чаще используют в качестве научных инструментов. Мульти-наковальни имеют три основных научных применения: 1) для синтеза нового материала высокого давления; 2) изменять фазы материала; 3) исследовать свойства материалов при высоких давлениях. В материаловедении это включает синтез новых или полезных материалов с потенциальными механическими или электронными приложениями, таких как сверхпроводники высокого давления или сверхтвердые вещества. [13] Геологи в первую очередь озабочены воспроизведением условий и материалов, обнаруженных в недрах земли, для изучения геологических процессов, которые нельзя наблюдать напрямую. Минералы или горные породы синтезируются, чтобы выяснить, какие условия ответственны за различные минеральные фазы и текстуры (цитата). Геофизики также используют несколько наковальней для измерения кинетики реакций , плотности , вязкости , сжимаемости , диффузии и теплопроводности горных пород в экстремальных условиях. [14] [15]
Внешние ссылки
- 1000-тонный пресс с несколькими наковальнями в Калтехе ( архивная версия )
- 500-тонный пресс в Оксфорде
- Уокер, Д. (1991). «Смазка, прокладки и точность в экспериментах с несколькими наковальнями» (PDF) . Американский минералог . 76 : 1092–1100.
Рекомендации
- ^ Изучение формации Земли: пресс с несколькими наковальнями в работе Архивировано 28 мая 2010 г.в Wayback Machine // LLNL
- ^ Kawai, N .; Эндо, С. (1970). «Создание сверхвысоких гидростатических давлений аппаратом с разрезной сферой». Обзор научных инструментов . 41 (8): 1178–1181. Bibcode : 1970RScI ... 41.1178K . DOI : 10.1063 / 1.1684753 .
- ^ Kawai, N .; Тогая, М .; Онодера, А. (1973). «Новое устройство для сосудов высокого давления» . Труды Японской академии . 49 (8): 623–6. DOI : 10,2183 / pjab1945.49.623 .
- ^ а б Уокер, Д .; Карпентер, Массачусетс; Хитч, CM (1990). «Некоторые упрощения многоканальных устройств для экспериментов с высоким давлением». Американский минералог . 75 : 1020–8.
- ^ Уокер, Д. (1991). «Смазка, прокладки и точность в экспериментах с несколькими наковальнями». Американский минералог . 76 : 1092–1100.
- ^ Leinenweber, KD; Tyburczy, JA; Sharp, TG; Soignard, E .; Дидрих, Т .; Петуски, ВБ; Wang, Y .; Мозенфельдер, JL (2012). «Ячеистые сборки для воспроизводимых экспериментов с несколькими наковальнями (сборки COMPRES)». Американский минералог . 97 (2–3): 353–368. Bibcode : 2012AmMin..97..353L . DOI : 10,2138 / am.2012.3844 .
- ^ Zhai, S .; Ито, Э. (2011). «Последние достижения в области создания высокого давления в многооконном аппарате с использованием спеченных алмазных наковальней» . Границы геонаук . 2 (1): 101–6. DOI : 10.1016 / j.gsf.2010.09.005 .
- ^ а б в Chen, J .; Wang, Y .; Даффи, S .; Shen, G .; Добржинецкая, Л.П. (2011). Достижения в методах высокого давления для геофизических приложений . Эльзевир. ISBN 978-0-08-045766-6.
- ^ Кацура, Т .; Sato, K .; Ито, Э. (1998). «Электропроводность силикатного перокскита в нижнемантийных условиях». Природа . 395 (6701): 493–5. Bibcode : 1998Natur.395..493K . DOI : 10.1038 / 26736 .
- ^ Като, Т .; Ohtani, E .; Morishima, H .; Yamazaki, D .; Сузуки, А .; Suto, M .; Кубо, Т .; Кикегава, Т .; Шимомура, О. (1995). «Рентгеновское наблюдение in situ фазовых переходов MgSiO3 под высоким давлением и теплового расширения перовскита MgSiO3 при 25 ГПа с помощью двухступенчатой многопоршневой системы». Журнал геофизических исследований: Твердая Земля . 100 (B10): 20475–81. Bibcode : 1995JGR ... 10020475K . DOI : 10.1029 / 95JB01688 .
- ^ Nishiyama, N .; Wang, Y .; Sanehira, T .; Ирифуне, Т .; Реки, ML (2008). «Разработка узла мульти-упоров 6-6 для аппаратов высокого давления типа DIA и D-DIA». Исследование высокого давления . 28 (3): 307–314. Bibcode : 2008HPR .... 28..307N . DOI : 10.1080 / 08957950802250607 .
- ^ Schollenbruch, K .; Woodland, AB; Мороз, диджей; Wang, Y .; Sanehira, T .; Лангенхорст, Ф. (2011). «Определение in situ перехода шпинель – постшпинель в Fe3O4 при высоком давлении и температуре с помощью синхротронной рентгеновской дифракции». Американский минералог . 96 (5–6): 820–7. Bibcode : 2011AmMin..96..820S . DOI : 10,2138 / am.2011.3642 .
- ^ Шиллинг, JS (1998). «Использование высокого давления в фундаментальном и материаловедении». Журнал физики и химии твердого тела . 59 (4): 553–568. Bibcode : 1998JPCS ... 59..553S . DOI : 10.1016 / S0022-3697 (97) 00207-2 .
- ^ Mysen, Bjorn O .; Рише, Паскаль (16 июня 2005 г.). Силикатные стекла и расплавы: свойства и структура . Эльзевир. ISBN 978-0-08-045771-0.
- ^ Giordano, D .; Рассел, JK; Дингвелл, ДБ (2008). «Вязкость магматических жидкостей: модель». Письма о Земле и планетологии . 271 (1–4): 123–134. Bibcode : 2008E и PSL.271..123G . DOI : 10.1016 / j.epsl.2008.03.038 .