Аппарат Григгса , также называемый установкой Григгса , представляет собой модифицированное устройство высокого давления с поршневым цилиндром, используемое для создания среды высокого давления, высокой температуры и приложения девиаторного напряжения к образцу материала. Он был задуман в 1960-х годах.
Размеры образцов варьируются в зависимости от конкретного устройства Григгса, но обычно могут достигать примерно 150 мм3, при этом могут быть достигнуты температуры до 1600 К наряду с давлением примерно 3 ГПа. [1]
История
Аппарат Григгса был изобретен Дэвидом Григгсом в середине 1960-х годов, когда он работал в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA). С момента создания аппарата Григгса он стал рабочей лошадкой многих лабораторий по деформации горных пород по всему миру, а также помог прояснить многочисленные аспекты пластической деформации кристаллических материалов, включая гидролитическое ослабление кварца . [2]
Теория
В машине Григгса используется тот же принцип, что и в других аппаратах высокого давления (например, в ячейке с алмазной наковальней ) для создания повышенного давления на образец.
Путем создания номинальной силы, в случае машины Григгса посредством гидравлического плунжера, к образцу может быть приложено большее усилие за счет уменьшения площади последующих поршней, последовательно соединенных с плунжером и находящихся в контакте с образцом.
Образец сборки
Сборка образца состоит из множества цилиндрических гильз, которые помещаются в отверстие в сосуде высокого давления или «бомбе». Самая внешняя втулка обычно состоит из NaCl, который используется для передачи вертикальной нагрузки, прилагаемой стальным поршнем, к ограничивающему давлению на образец в центре сборки. NaCl используется, поскольку он относительно слаб и помогает переносить стресс. Непосредственно внутри внешней втулки из NaCl находится керамическая опорная втулка с графитовой втулкой внутри, которая используется для резистивного нагрева образца. Самая внутренняя втулка, в которой находится образец вместе с верхним и нижним поршнями из оксида алюминия, обычно также состоит из NaCl. В дополнение к этой конструкции внутренняя втулка может также состоять из тройной смеси эвтектических солей, которая называется ячейкой с расплавом солей. [1] [3] Преимущество ячейки с расплавом солей заключается в том, что смесь солей плавится при умеренных температурах, что позволяет приложить к образцу истинное гидростатическое давление. При использовании ячейки с расплавом солей также становится необходимым добавить дополнительную никелевую капсулу для содержания солевой смеси, чтобы предотвратить повреждение других частей сборки образца. Температуру контролируют термопарами с боковым входом , которые проходят через стенку графитовой печи и непосредственно примыкают к образцу и обычно проходят через защитную муллитовую изоляцию. Девиаторное напряжение передается на образец через поршень σ1. Этот поршень ориентирован последовательно с верхним поршнем, образцом и нижним поршнем внутри внутренней втулки, которая находится наверху нижнего поршня из карбида вольфрама .
Дизайн
Аппарат Григгса может создавать и поддерживать ограничивающее давление на образец, в то же время имея возможность отдельно деформировать образец. Сдерживающее давление создается путем продвижения гидроцилиндра с помощью ручного рычажного насоса или шприцевого насоса с сервоуправлением. Затем продвигающийся плунжер сжимает внешний поршень из карбида вольфрама (σ3), который, в свою очередь, вдавливает Pb-заглушку в верхней части сборки образца, а затем, в свою очередь, нагружает среду давления NaCl. Девиаторное напряжение создается механической трансмиссией, приводимой в действие электродвигателем, установленным наверху устройства. Когда электродвигатель приводится в действие, он взаимодействует с набором шестерен, которые позволяют выбирать переменные скорости деформации в диапазоне от 10 -3 с-1 до 10 -8 с-1.
Чтобы исключить крутящий момент от движущейся приводной передачи, создаваемый зубчатой передачей, между зубчатой передачей и деформирующим поршнем (σ1) расположена шариковая винтовая передача с рециркуляцией, обеспечивающая осевую нагрузку. Последовательно с деформирующим поршнем соединен также внешний датчик нагрузки, который измеряет нагрузку, приложенную к внутреннему (σ1). Внешний (σ3) и внутренний (σ1) поршни, которые расположены над образцом, представляют собой две отдельные части, что позволяет продвигать деформирующий поршень с приводом без изменения ограничивающего давления, которое действует с помощью гидроцилиндра.
Конструкция гидроцилиндра приводит к ошибке в измерениях давления, которые рассчитываются на основе давления масла внутри гидроцилиндра. Внутри гидроцилиндра имеется большое уплотнительное кольцо, закрывающее масло в верхней или нижней части гидроцилиндра. По мере того как шток находится под давлением и масло переходит из нижнего резервуара в верхний, возникает трение за счет движения уплотнительного кольца вдоль внутренней стенки штекера. Поскольку поршню необходимо преодолеть силу трения, чтобы продолжить движение, измерения давления, рассчитанные с использованием давления масла внутри поршня, включают вклад внутреннего трения. Вклад силы трения в расчеты давления можно описать следующим соотношением:
Расчетное давление = ограничивающее давление + внутреннее трение внутри гидроцилиндра.
Суммарный вклад этого трения в значение измеренного давления различен для каждой конкретной машины Григгса, но было показано, что отклонения между фактическим и измеренным давлением могут составлять до 10%. [4]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b Грин, Гарри; RS Borch (1990). «Эксперименты по деформации при высоких давлениях и температурах в удерживающей жидкости среде». Серия геофизических монографий . 56 : 195–201. Bibcode : 1990GMS .... 56..195G . DOI : 10,1029 / gm056p0195 .
- ^ Григгс, Дэвид; JD Blacic (1965). «Кварц: анамальная слабость синтетических кристаллов». Наука . 147 (3655): 292–295. DOI : 10.1126 / science.147.3655.292 . PMID 17788211 .
- ^ Тингл, Трейси; HW Green; Т.Е. Янг; Т.А. Кочинский (1993). «Усовершенствования аппарата Григгса для механических испытаний при высоких давлениях и температурах». Чистая и прикладная геофизика . 141 : 523–543. DOI : 10.1007 / bf00998344 .
- ^ Бернли, Памела; IC Получение (2012). «Создание высокотемпературной среды при высоком давлении в газопоршневом цилиндровом аппарате» . Обзор научных инструментов . 83 : 014501. дои : 10,1063 / 1,3677844 .
Дополнительные источники
- Григгс, Дэвид (1936). «Деформирование горных пород при высоком ограничивающем давлении: 1. Эксперименты при комнатной температуре». Журнал геологии . 44 : 541–577. Bibcode : 1936JG ..... 44..541G . DOI : 10.1086 / 624455 .
- Холиок III, Калеб; Кроненберг (2010). «Точное измерение дифференциального напряжения с использованием узлов расплавленной соли и твердой соли в аппарате Григгса с приложениями к прочности, пьезометрам и реологии». Тектонофизика . 494 : 17–31. DOI : 10.1016 / j.tecto.2010.08.001 .