Пресс с несколькими наковальнями - Multi-anvil press

В многопозиционный пресс это тип устройства, предназначенного для производства чрезвычайно высоких давление в относительно небольшом объеме. Этот тип наковальня пресс используется в материаловедение и геология для синтеза и исследования твердофазных материалов в условиях экстремального давления, а также для промышленного производства ценных минералы, особенно синтетические бриллианты. Эти инструменты позволяют одновременно прессовать и нагревать образцы твердой фазы миллиметрового размера, такие как горные породы, минералы, керамика, стекла, композитные материалы или металлические сплавы и способны достигать давления выше 25 ГПа и температуры более 2500° C. Это позволяет физикам-минералам и петрологи изучение Недра Земли экспериментально воспроизвести условия, обнаруженные во всей литосфере и верхняя мантия, до глубины 700 км (цитата, рисунок 1,2). Алмазные наковальни и легкие газовые пушки может работать даже с более высоким давлением, но устройство с несколькими наковальнями может работать с образцами гораздо большего размера, что упрощает подготовку образцов и улучшает точность измерений и стабильность экспериментальных параметров.^[1][2].

История

Аппарат с несколькими наковальнями 6-8 был представлен Каваи и Эндо (1970) с использованием разделенной стальной сферы, подвешенной в масле под давлением, позже модифицированной.^[3] использовать гидроцилиндр. В 1990 году Уокер и др. упростил первый этап сжатия, представив конструкцию съемной шляпной коробки, что позволило превратить обычные машинные прессы в системы с несколькими наковальнями. Были представлены и стандартизированы различные конструкции сборки, в том числе отливка Walker,^[4] и сборки COMPRES.^[5] Последние достижения сосредоточены на измерениях на месте (ссылка на следующий раздел), а также на стандартизации материалов и калибровке.

Основной дизайн

В типичном аппарате с несколькими наковальнями Kawai cell 8-6 ​​используются 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 обращены лицевой стороной и три направлены вниз, которые сходятся на наборе из восьми кубиков карбида вольфрама. Внутренние углы этих кубов усечены, чтобы соответствовать восьмигранной сборке. Эти октаэдры имеют размер от 8 до 25 мм на краю и обычно состоят из MgO или другого материала, который пластично деформируется в диапазоне экспериментальных условий, 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, окружены цилиндрической печью из графита или LaCrO3, которая может выделять значительное количество тепла за счет электрического сопротивления (рис. 4). 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.

Теория

В принципе, пресс с несколькими наковальнями аналогичен по конструкции прессу. машинный пресс за исключением того, что он использует увеличение силы для усиления давления за счет уменьшения площади, на которую действует сила:

P = F / A

Это аналогично механическому преимуществу, используемому рычагом, за исключением того, что сила прикладывается линейно, а не под углом. Например, типичная многоярусная наковальня может нанести 9 806 650 N (эквивалент нагрузки 1000 т) на восьмигранный узел диаметром 10 мм, имеющий площадь поверхности 346,41 мм2, для создания давления внутри образца 28,31 ГПа, в то время как давление в гидроцилиндре составляет всего 0,3 ГПа. Следовательно, использование небольших сборок может увеличить давление в образце. Нагрузка, которая может быть приложена, 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.^[6]

Измерения на мульти-наковальне

Большинство анализов образцов проводится после того, как эксперимент закаливается и снимается с мульти-наковальни. Однако также можно проводить измерения на месте. Схемы, в том числе 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.^[7] Удельное сопротивление можно измерить с помощью спектроскопии комплексного импеданса.^[8] Магнитные свойства могут быть измерены с помощью усиленного ядерного магнитного резонанса в специально сконфигурированных множественных наковальнях.^[7] Конструкция с несколькими наковальнями DIA часто включает алмазные или сапфировые окна, встроенные в вольфрамовые наковальни, чтобы рентгеновские лучи или нейтроны проникали в образец.^[9] Этот тип устройства дает исследователям синхротронных источников и источников нейтронного расщепления возможность проводить дифракционные эксперименты для измерения структуры образцов в экстремальных условиях.^[10] Это важно для наблюдения неугасаемых фаз вещества, поскольку они кинетически и термодинамически нестабильны при низких температурах и давлении.^[11] Вязкость и плотность расплавов под высоким давлением могут быть измерены на месте с использованием метода погружения поплавка и нейтронного томография. 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 через расплав. Два объекта с контрастными плавучесть можно использовать одновременно для расчета плотности.^[7]

Приложения

Давление, как и температура, является основным термодинамический параметр, 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 при высоком давлении и высокой температуре (HPHT). синтетические бриллианты и ц-боронитрид. 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.^[12] Геологи в первую очередь озабочены воспроизведением условий и материалов, обнаруженных в недрах земли, для изучения геологических процессов, которые невозможно наблюдать напрямую. Минералы или горные породы синтезируются, чтобы выяснить, какие условия ответственны за различные минеральные фазы и текстуры (цитата). Геофизики также используют мульти-наковальни для измерения кинетики реакций, плотности, вязкости, сжимаемости, ионной диффузии и теплопроводности горных пород в экстремальных условиях.^[13][14]

Рисунок 1:http://www.ucl.ac.uk/EarthSci/people/lidunka/GEOL2014/Geophysics7%20-%20Deep%20Earth/Earth%20Structure.htm

Рисунок 2: Науки о Земле: исследование легких элементов ядра Томас С. Даффи Nature 479, 480–481 (24 ноября 2011 г.) doi: 10.1038 / 479480a

Смотрите также

• Синтетический алмаз
• D-DIA

Рекомендации

1. Либерманн, Роберт К. (01.12.2011). «Многоярусный аппарат высокого давления: полвека развития и прогресса». Исследование высокого давления. 31 (4): 493–532. Дои:10.1080/08957959.2011.618698. ISSN  0895-7959.
2. Милетич, Рональд; Аллан, Дэвид Р .; Кухс, Вернер Ф. (2000-01-01). «Монокристаллические методы высокого давления». Обзоры по минералогии и геохимии. 41 (1): 445–519. Дои:10.2138 / RMG.2000.41.14. ISSN  1529-6466.
3. Кавай, Н. и С. Эндо (1970). «Создание сверхвысоких гидростатических давлений аппаратом с разрезной сферой». Обзор научных инструментов. 41: 1178. Bibcode:1970RScI ... 41.1178K. Дои:10.1063/1.1684753.
4. Уокер, Д. (1991). «Смазка, прокладки и точность в экспериментах с несколькими наковальнями». Американский минералог. 76: 1092–1100.
5. Лайненвебер, К. Д., Дж. А. Тайбурчи, Т. Г. Шарп, Э. Сойнар, Т. Дидрих, В. Б. Петускей, Ю. Ван и Дж. Л. Мозенфельдер (2012). «Ячеистые сборки для воспроизводимых экспериментов с несколькими наковальнями (сборки COMPRES)». Американский минералог. 97 (2–3): 353–368. Bibcode:2012AmMin..97..353L. Дои:10.2138 / am.2012.3844.
6. Чжай, С. и Э. Ито (2011). «Последние достижения в области создания высокого давления в аппарате с несколькими наковальнями с использованием спеченных алмазных наковальней». Границы геонаук. 2 (1): 101–106. Дои:10.1016 / j.gsf.2010.09.005.
7. Чен, Дж., Ю. Ван, С. Даффи, Г. Шен, Л. П. Добржинецкая (2011). «Достижения в области технологий высокого давления для геофизических приложений».
8. Кацура, Т., К. Сато и Э. Ито (1998). «Электропроводность силикатного перовскита в нижнемантийных условиях». Природа. 395: 493–495. Bibcode:1998Натура.395..493K. Дои:10.1038/26736.
9. Като Т., Э. Отани, Х. Моришима, Д. Ямазаки, А. Судзуки, М. Суто, Т. Кубо, Т. Кикегава и О. Шимомура (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: 20475–20481. Bibcode:1995JGR ... 10020475K. Дои:10.1029 / 95jb01688.
10. Нишияма, Н., Й. Ван, Т. Санехира, Т. Ирифуне и М. Л. Риверс (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. Дои:10.1080/08957950802250607.
11. Шолленбрух К., А. Б. Вудленд, Ф. Д. Дж., Ю. Ван, С. Т. и Л. Ф. (2011). «Определение in situ перехода шпинель – постшпинель в Fe3O4 при высоком давлении и температуре с помощью синхротронной рентгеновской дифракции». Американский минералог. 96: 820–827. Bibcode:2011AmMin..96..820S. Дои:10.2138 / am.2011.3642.
12. Шиллинг, Дж. С. (1998). «Использование высокого давления в фундаментальном и материаловедении». Журнал физики и химии твердого тела. 59 (4): 553–568. Bibcode:1998JPCS ... 59..553S. Дои:10.1016 / s0022-3697 (97) 00207-2.
13. Майсен, Б. О. и П. Рише (2005). «Силикатные стекла и расплавы: свойства и структура».
14. Джордано, Д., Дж. К. Рассел и Д. Б. Дингвелл (2008). «Вязкость магматических жидкостей: модель». Письма по науке о Земле и планетах. 271: 123–134. Bibcode:2008E и PSL.271..123G. Дои:10.1016 / j.epsl.2008.03.038.