基于有限元法确立碳化钨顶锤的破裂判据

以有限元法为理论基础,通过运行大型有限元软件,成功构建了铰链式六面顶压机配套顶锤的有限元理论模型,并确立了碳化钨顶锤的破裂判据。模拟结果表明:以小斜边末尾处为应力参考点,依据第四强度理论,能够对碳化钨顶锤的性能进行更加合理的数值分析。依据此判据可知:在顶锤锤面及小斜边附近,裂纹高发区分布在小斜边附近;在顶锤轴向上,裂纹高发区分布在距离顶锤锤面30 mm处。铰链式六面顶压机配套碳化钨顶锤的有限元模型以及碳化钨顶锤破裂判据的成功构建,为实现新型碳化钨顶锤的设计与研究奠定了基础,对促进实现铰链式六面顶压机腔体大型化具有现实意义。     

有限元法在金刚石合成中的应用进展

金刚石以其优异的性能广泛应用于国防工程、机械加工、电子科技等领域,其需求量也日益增大。有限元法适用于复杂几何结构和物理问题的模拟分析,由此开辟了有限元法应用于金刚石合成和相应设备优化的新途径。阐述了有限元方法在六面顶压机及金刚石合成腔体工艺方面的应用进展。首先,考虑静力、应力强度、应力分布和形变等影响因素,对铰链梁和工作缸进行模拟分析,运用有限元法对顶锤的作用、破坏机理及新型顶锤设计进行探讨;其次,总结有限元法在金刚石腔体内的温度场、压力场、电学场等研究中的应用进展;最后,对有限元法在金刚石合成中的应用前景进行展望。     

基于国产铰链式六面顶压机的大腔体静高压技术研究进展

大腔体压机技术因具有静水压性好、样品尺寸大、样品腔内压力与温度分布均匀,且可与同步辐射X射线、中子衍射、超声测量等技术结合对样品进行原位测量等优点,越来越受到高压领域科研工作者的青睐。国内大腔体压机技术多基于国产铰链式六面顶压机构架,国产六面顶压机常规一级压腔所能产生的压力极限较低,约为6GPa,在一定程度上制约了国内高压科学及相关学科的发展。近几年,基于国产六面顶压机,设计了两种一级压腔增压系统,集成了6-8型二级压腔加压装置。目前,在提供厘米量级样品的前提下,设计的两种一级压腔所能达到的最高压力约为10GPa;若采用硬质合金二级顶锤,设计的6-8型二级压腔所能达到的最高压力约为20GPa。最近,自行设计并制备了可产生高于50GPa压力的多晶金刚石二级顶锤,采用此种顶锤将基于国产六面顶压机构建的二级加压系统的压力标定至35GPa,拓展了国内大腔体静高压技术的压力产生范围。     

新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤的有限元分析

基于有限元法, 对新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤进行了分析与研究.研究结果表明: 新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤在不降低顶锤的传压效率的前提下, 能够将顶锤的使用寿命延长3.05%—16.75 %; 新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤获得的极限腔体压力值可增加至6.09 GPa, 较传统顶锤(5.80 GPa)提高5%, 从而扩宽高压下功能材料的合成区间.新型圆角式高压碳化钨硬质合金顶锤的使用, 将降低六面顶液压机的使用成本, 促进高压技术和材料科学等学科的发展.     

金刚石/ZnSe结构中瞬态热栅场的有限元法分析

利用有限元法分析计算了脉冲激光激发瞬态热栅在金刚石薄膜/ZnSe衬底双层结构中的三维温度场分布及变化。通过比较不同厚度金刚石薄膜样品的温度场分布,结果显示金刚石薄膜的厚度对样品中温度场的分布有较大影响,随着薄膜厚度的增大,峰值温度提高并且二次加热现象更加明显。     

六面顶压机高压腔体温度场的数值模拟

 以有限元法为分析手段,在模型和边界条件适当简化的条件下,对六面顶压机高压腔体的温度场进行了数值模拟计算,得出了腔体内的温度分布。在此基础上通过调整模型参数,定性讨论了样品组装设计中组装材料、加热器形状以及导电金属环厚度对温度场的影响。数值模拟结果表明：用氧化锆替代叶蜡石作为堵头和保温材料可以提高样品区的温度,降低功率的消耗并减小样品区的温度梯度;与圆筒形加热器组装相比,中间厚两端薄的变圆筒形加热器组装能提供更高的样品中心温度和较小的温度梯度;使用导电金属环的加热组装时,适当增加金属环的厚度有利于获得较理想的温度分布。研究结果对优化高压实验的样品组装设计、改善温度梯度及保护设备具有一定的参考价值。     

二级6-8型静高压装置厘米级腔体内置石墨加热组装的设计与实验研究

基于国产铰链式六面顶压机二级6-8型静高压装置,采用去尖3节式36/20结构,设计了一种"桥式"结构的石墨加热组装,通过高压原位温度测量获取加热功率与温度的对应关系,得到了稳定的p-T(2.5~10.4GPa,0~1 650/1 800℃)区域。同时样品腔体直径可以达到13mm,实现了厘米级大样品的高温高压制备。讨论了组装的电阻与温度之间的关系,并分析了电阻变化的原因。通过对样品烧结情况的表征,来反映腔体的温度分布情况。研究工作对基于国产铰链式六面顶压机的二级6-8型静高压装置的加热设计有一定的参考意义,并具有良好的实用性。     

用表面生长CVD金刚石的石墨合成高压金刚石

 用热灯丝CVD方法在多晶石墨衬底表面制备CVD金刚石颗粒，并用这种石墨在高温高压条件下采用六面顶压机合成出高压金刚石。初步实验结果表明：采用其表面生长CVD金刚石颗粒的石墨合成高压金刚石，可以提高金刚石的转化率和降低合成压力。     

国产六面顶压机多晶种法合成宝石级金刚石单晶

对国产六面顶压机平台下使用多晶种法合成宝石级金刚石单晶进行了系统的研究. 通过合理调整温度梯度法的合成腔体组装, 采用多晶种法, 探索多晶种法金刚石合成的压力和温度区间, 在单个合成腔体内放置3–5颗金刚石晶种, 成功合成出多颗(3–5)优质Ib型宝石级金刚石单晶. 多颗晶种的引入, 单次实验合成的多个金刚石晶体晶形及品质一致; 同时, 晶体的整体生长速度也有明显的增大. 多晶种法金刚石单晶合成的研究, 可以有效地利用腔体空间、提高单次金刚石单晶合成的效率, 解决压机大型化下高温高压资源利用率低的问题; 同时, 为宝石级金刚石单晶商业化生产提供重要的依据. 关键词： 金刚石 国产六面顶 多晶种 温度梯度法     

侧面抽运板状激光介质的热汇冷却

高热负荷固体激光介质的热效应已经成为制约激光器功率进一步提高的严重障碍,只有对激光介质进行有效的冷却才能保证其安全运行。以不均匀换热系数模型为基础,研究了具有非均匀内热源的侧面双向抽运板状激光介质在狭窄通道强制对流冷却情况下的耦合换热问题,对热汇冷却方案下介质的温度分布和热应力分布进行了数值模拟和分析,并对复合介质、蓝宝石和金刚石三种热汇材料进行对比。结果表明,忽视换热系数的非均匀性将导致应力计算结果偏低。对于侧面抽运、侧面冷却的激光介质,金刚石热汇冷却方案最佳,蓝宝石热汇方案次之,而复合介质方案不宜采用。     

Hybrid-toroidal anvil: a replacement for the conventional WC anvil used for the large volume cubic high pressure apparatus

We propose a design and operation of a hybrid-toroidal anvil used for the large volume cubic high pressure apparatus (LV-CHPA), such that it is possible to obtain a higher sintered quality, less weight and cost of tungsten carbide (WC) anvil than the conventional anvil. We use the finite element simulations to show the distributions of the stress on the surface and in the bulk of the WC anvils, and conclude that, for a given load on the hybrid-toroidal anvil, the volume of the compressed press medium has increased by 4.88%, and the rate of the transmitted pressure has increased by 6.72% compared with the conventional anvil. Furthermore, the advantages of the hybrid-toroidal anvil are that the movement of anvils increases by 37.14% and the growth rate of the fatigue crack decreases by 40%. This has been proved by the high pressure experiments. This work gives an approach to optimize the WC anvils used for the LV-CHPA and presents a simple method to achieve the higher sample pressure and the larger sample volume.     

定量单轴压力下单晶硅片原位拉曼谱峰测试

测量获得了金刚石压腔系统中碳化钨基座单轴下的总压应力(F/N)-应变(ε/μm/m)关系: F=3.395ε+12.212(R2=0.999 9),研制出可以在定量单轴压力下原位测试样品谱学特征的装置。利用该装置测试了单轴压力在2548.664 MPa下单晶硅片的拉曼谱峰。测试结果表明,当压力垂直于单晶硅样品[100]结晶面时,样品的519.12 cm-1谱峰随压力增大有规律的向高频方向偏移,谱峰频移量(Δω/cm-1)与压力(σ/MPa)的增加呈显著的线性关系,线性方程为σ=365.80Δω+10.19。式中的常数项在一定程度上反应了样品本身存在的残余应力;一次项系数与理论计算得到的结果存在一定差异,可能是由于本实验考虑了样品受力的定向性。Δω-σ线性关系式中的常数项可能代表两层含义：一是实验过程中存在的误差;二是在一定程度上反应了硅片本身存在的内应力的大小。     

Finite-element analysis on performance and shear stress of cemented tungsten carbide anvils used in the China-type cubic-anvil high-pressure apparatus

Stress distribution in cemented tungsten carbide (WC) anvils is of primary interest in high pressure research, but is very difficult to determine experimentally. We have performed finite-element simulations to study the performance and the shear stress distribution of WC anvils used in the China-type cubic-anvil high pressure apparatus (SPD-6×2000). Our results show that in order to avoid failure cracks in high-stress areas, the maximum shear stress should be lower than 3.17 GPa for the WC anvils (8% cobalt). The simulations have been verified by high-pressure experiments. Our method of analyzing stress distribution helps in evaluating the ability of WC anvils, and would aid in designing a new anvil to enhance performance.     

高压下碳化钨压砧走时的测量

 在常温、实验压力为0～3 GPa条件下,利用脉冲反射法测量了纵波在碳化钨压钻中的走时,结果发现,随实验压力升高,碳化钨压砧的走时线性减少。碳化钨压砧被压缩是引起碳化钨压砧的走时减少的主要原因。实验压力（p/GPa）与碳化钨压砧走时减少量（Δt/μs）之间的关系为：Δt=(0.022 33±0.000 81)p。运用这个关系式可以对所测量的岩石弹性波速度进行校正,以获得更为精确的岩石弹性波速度。     

人造聚晶翡翠宝石

 综述了翡翠宝石的人工合成的进程及各种实验结果，给出了6×8MN六面顶高压装置的压力和温度工作曲线，对比了两面顶高压装置及六面顶高压装置上合成翡翠宝石的优缺点及解决办法，并做了合成高品级翡翠宝石的尝试。     

高温高压下硬水铝石状态方程研究

 在金刚石压砧装置上,用氧化铝膜作绝热层,借助同步辐射和双面激光加温系统,分析了硬水铝石在高温高压下的结构变化,并分别用理论和实验的方法得出了其结构参数,得到了样品在不同压力温度下的体模量。这对于人们认识和研究地壳结构和地球内部物质的演化具有重要意义。研究发现,在常温和高温时其压缩率有明显不同,在高温高压范围内,其晶格常数和晶胞体积的变化非常接近样品在高压常温下的情况;而在高温低压范围内,情形和常温时有较大差别。在实验过程中并没有发现相变的产生。     

In situ electrical resistance and activation energy of solid C_(60) under high pressure

The in situ electrical resistance and transport activation energies of solid C60 fullerene have been measured under high pressure up to 25 GPa in the temperature range of 300-423 K by using a designed diamond anvil cell. In the experiment, four parts of boron-doped diamond films fabricated on one anvil were used as electrical measurement probes and a W-Ta thin film thermocouple which was integrated on the other diamond anvil was used to measure the temperature. The current results indicate that the measured high-pressure resistances are bigger than those reported before at the same pressure and there is no pressure-independent resistance increase before 8 GPa. From the temperature dependence of the resistivity, the C60 behaviors as a semiconductor and the activation energies of the cubic C60 fullerene are 0.49, 0.43, and 0.36 eV at 13, 15, and 19 GPa, respectively.     

0.1~800 MPa压力下方解石拉曼光谱的实验研究

 利用石英的拉曼谱峰与温度和压力的关系，检验了在金刚石压腔中用方解石拉曼谱峰确定体系压力的可行性，并初步确定了在常温下方解石的拉曼谱峰与压力的关系。实验研究结果表明：在实验的压力范围内方解石稳定，且其1 085 cm^-1 谱峰约为石英464 cm^-1谱峰的3倍强度，因此非常适合作为热液金刚石压腔的压力标定物。在温度26 ℃、压力0.1~800 MPa条件下，方解石的拉曼谱峰（1 085 cm^-1）随着压力的增加，呈线形增大，其关系式为：p(MPa)=192×(ν_p－1 085)－21.8，1 085 cm^-1<ν_p<1 090 cm^-1。