Аппарат Григгса - Griggs apparatus

Пример модифицированного аппарата Григгса, расположенного в Университете Невады в Лас-Вегасе

Аппарат Григгса, также называемый Установка Григгса, представляет собой модифицированное устройство высокого давления с поршневым цилиндром, используемое для создания среды с высоким давлением и высокой температурой и для создания девиаторного напряжения на образце материала. Он был задуман в 1960-х годах.

Размеры образцов варьируются в зависимости от конкретного устройства Григгса, но обычно могут составлять примерно до 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 гидролитический ослабление кварц.[2]

Теория

В аппарате Григгса используется тот же принцип, что и в других аппаратах высокого давления (например, ячейка с алмазной наковальней ) использовать 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, идущих последовательно с плунжером и находящихся в контакте с образцом.

Образец сборки

Пример одной экспериментальной сборки образца для машины Григгса

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, в ограничивающее давление на образец в центре узла. NaCl используется, поскольку он относительно слаб и помогает переносить стресс. Непосредственно внутри внешней втулки из NaCl находится керамическая опорная втулка с графит гильза внутри нее, 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 также может состоять из тройной смеси эвтектических солей, которая называется ячейкой с расплавом солей.[1][3] Преимущество ячейки с расплавом солей состоит в том, что смесь солей плавится при умеренных температурах, что позволяет приложить к образцу истинное гидростатическое давление. При использовании ячейки с расплавом соли также становится необходимым добавить дополнительный никель капсула, содержащая смесь солей, чтобы предотвратить повреждение других частей сборки образца. Температура контролируется боковым входом термопара (ы) проникают в 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 во внутренней гильзе, которая находится наверху. карбид вольфрама нижний поршень.

Дизайн

Увеличенный вид внешнего (σ3) и внутреннего (σ1) поршней.

Аппарат Григгса может создавать и поддерживать ограничивающее давление на образец, в то же время имея возможность отдельно деформировать образец. Сдерживающее давление создается за счет 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, которая приводится 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 10−3сек-1 до 10−8сек-1.

Чтобы устранить 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, это позволяет продвигать деформирующий поршень с приводом без изменения ограничивающего давления, которое действует с помощью гидроцилиндра.

Конструкция гидроцилиндра приводит к погрешности 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 по внутренней стенке 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 расчет 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

  1. ^ а б Грин, Гарри; Р.С. Борч (1990). «Эксперименты по деформации при высоких давлениях и температурах в удерживающей жидкости среде». Серия геофизических монографий. 56: 195–201. Bibcode:1990GMS .... 56..195G. Дои:10.1029 / gm056p0195.
  2. ^ Григгс, Дэвид; Дж. Д. Блачич (1965). «Кварц: анамная слабость синтетических кристаллов». Наука. 147 (3655): 292–295. Дои:10.1126 / science.147.3655.292. PMID  17788211.
  3. ^ Тингл, Трейси; H.W. Зеленый; T.E. Молодой; Т.А. Кочинский (1993). «Усовершенствования аппарата Григгса для механических испытаний при высоких давлениях и температурах». Чистая и прикладная геофизика. 141: 523–543. Дои:10.1007 / bf00998344.
  4. ^ 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. Дои:10.1086/624455.
  • Холиок III, Калеб; Кроненберг (2010). «Точное измерение дифференциального напряжения с использованием сборок солевого расплава и твердой соли в аппарате Григгса с приложениями к прочности, пьезометрам и реологии». Тектонофизика. 494: 17–31. Дои:10.1016 / j.tecto.2010.08.001.