Наковальня пресс - Anvil press

Для издательской компании см. Поэзия Anvil Press.

Пресс с несколькими наковальнями, или наковальня пресс это тип устройства, относящийся к машинный пресс который используется для создания чрезвычайно высокого давления в небольшом объеме.

Они используются в материаловедение и геология для синтеза и изучения различных фазы материалов, находящихся под экстремальным давлением, а также для промышленной добычи ценных минералов, особенно синтетические бриллианты, поскольку они имитируют давление и температуру, существующие глубоко под землей. Эти инструменты позволяют одновременно прессовать и нагревать образцы твердой фазы миллиметрового размера, такие как горные породы, минералы, керамика, очки, композитные материалы, или же металлы и способны достигать давления выше 25 ГПа и температуры, превышающие 2500 ° C. Это позволяет физикам-минералам и петрологам, изучающим недра Земли, экспериментально воспроизвести условия, обнаруженные на всем протяжении литосфера и верхняя мантия, область, 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] Несмотря на то что Алмазные наковальни и легкие газовые пушки может работать с еще более высокими давлениями, устройство с несколькими наковальнями может работать с образцами гораздо большего размера, что упрощает подготовку образцов и повышает точность измерений и стабильность экспериментальных параметров.

В многопозиционный пресс - относительно редкий инструмент исследования. Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора два пресса были использованы для различных исследований свойств материалов, включая диффузию и деформацию керамики и металлов, глубокофокусное землетрясение, стабильность минеральных фаз при высоких давлениях.

История

Аппарат с несколькими наковальнями 6-8 был представлен Каваи и Эндо.[2] с использованием разделенной стальной сферы, подвешенной в масле под давлением, позже модифицированной[3] использовать гидроцилиндр. В 1990 году Уокер и др.[4] упростил первую стадию сжатия за счет введения конструкции съемной шляпной коробки, позволяющей обычным машинные прессы для преобразования в системы с несколькими наковальнями. Были представлены и стандартизированы различные конструкции сборки, 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, а три - вниз, которые сходятся на наборе из восьми кубиков карбида вольфрама. Внутренние углы этих кубов усечены, чтобы соответствовать восьмигранной сборке. Эти октаэдры варьируются от 8 мм до 25 мм по 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, проводятся в цилиндрической печи из графита или LaCrO3, 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 увеличения 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 может нанести 9 806 650 N (эквивалент нагрузки 1000 т ) на 10-миллиметровый октаэдрический узел, имеющий площадь поверхности 346,41 мм2, чтобы создать давление 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.[7]

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 можно использовать для измерения сейсмические скорости через материал или сделать вывод о плотности материалов.[8] Удельное сопротивление можно измерить с помощью спектроскопии комплексного импеданса.[9] Магнитные свойства можно измерить с помощью усиленного ядерный магнитный резонанс в специально сконфигурированных мульти-наковальнях.[8] Конструкция с несколькими наковальнями DIA часто включает алмазные или сапфировые окна, встроенные в вольфрамовые наковальни, что позволяет рентгеновские лучи или же нейтроны проникнуть 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 неугасающих фаз вещества, поскольку они кинетически и термодинамически нестабильны при низких температурах и давлении.[12] Вязкость и плотность расплавов под высоким давлением могут быть измерены на месте с использованием метода погружного 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 через расплав. Два объекта с контрастной плавучестью могут использоваться одновременно для расчета плотности.[8]

Приложения

Давление, как и температура, является основным термодинамический параметр что влияет на молекулярную структуру, и, следовательно, электрические, магнитный, тепловой, оптический и механический 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 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 кинетика реакций, плотность, вязкость, сжимаемость, диффузионность и теплопроводность горных пород в экстремальных условиях.[14][15]

внешняя ссылка

  • 1000-тонный пресс с несколькими наковальнями в Калтехе (заархивированная версия )
  • 500-тонный пресс в Оксфорде
  • Уокер, Д. (1991). «Смазка, прокладки и точность в многоканальных экспериментах» (PDF). Американский минералог. 76: 1092–1100.

Рекомендации

  1. ^ Изучение формации Земли: мульти-наковальня в действии В архиве 2010-05-28 на Wayback Machine // LLNL
  2. ^ Kawai, N .; Эндо, С. (1970). «Создание сверхвысоких гидростатических давлений аппаратом с разрезной сферой». Обзор научных инструментов. 41 (8): 1178–1181. Bibcode:1970RScI ... 41.1178K. Дои:10.1063/1.1684753.
  3. ^ Kawai, N .; Тогая, М .; Онодера, А. (1973). «Новое устройство для сосудов высокого давления». Труды Японской академии. 49 (8): 623–6. Дои:10.2183 / pjab1945.49.623.
  4. ^ а б Уокер, Д .; Карпентер, M.A .; Хитч, К. (1990). «Некоторые упрощения многоканальных устройств для экспериментов с высоким давлением». Американский минералог. 75: 1020–8.
  5. ^ Уокер, Д. (1991). «Смазка, прокладки и точность в экспериментах с несколькими наковальнями». Американский минералог. 76: 1092–1100.
  6. ^ Leinenweber, K.D .; Tyburczy, J.A .; Sharp, T.G .; Soignard, E .; Дидрих, Т .; Petuskey, W.B .; Wang, Y .; Мозенфельдер, J.L. (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.
  7. ^ Zhai, S .; Ито, Э. (2011). «Последние достижения в области создания высокого давления в аппарате с несколькими наковальнями с использованием спеченных алмазных наковален». Границы геонаук. 2 (1): 101–6. Дои:10.1016 / j.gsf.2010.09.005.
  8. ^ а б c Chen, J .; Wang, Y .; Даффи, S .; Shen, G .; Добржинецкая Л.П. (2011). Достижения в области технологий высокого давления для геофизических приложений. Эльзевир. ISBN  978-0-08-045766-6.
  9. ^ Кацура, Т .; Sato, K .; Ито, Э. (1998). «Электропроводность силикатного перокскита в нижнемантийных условиях». Природа. 395 (6701): 493–5. Bibcode:1998Натура.395..493K. Дои:10.1038/26736.
  10. ^ 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. Дои:10.1029 / 95JB01688.
  11. ^ Nishiyama, N .; Wang, Y .; Sanehira, T .; Ирифуне, Т .; Риверс, М. (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.
  12. ^ Schollenbruch, K .; Woodland, A.B .; Фрост, Д.Дж .; 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. Дои:10.2138 / am.2011.3642.
  13. ^ Шиллинг, Дж. (1998). «Применение 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.
  14. ^ Mysen, Bjorn O .; Рише, Паскаль (16 июня 2005 г.). Силикатные стекла и расплавы: свойства и структура.. Эльзевир. ISBN  978-0-08-045771-0.
  15. ^ Giordano, D .; Рассел, J.K .; Дингвелл, Д. (2008). «Вязкость магматических жидкостей: модель». Письма по науке о Земле и планетах. 271 (1–4): 123–134. Bibcode:2008E и PSL.271..123G. Дои:10.1016 / j.epsl.2008.03.038.