Lis na kovadlinu - Anvil press

Vydavatelství viz Poezie v kovadlině.

Lis s více kovadlinami nebo kovadlinový lis je typ zařízení související s a strojní lis který se používá k vytvoření mimořádně vysokých tlaků v malém objemu.

Používají se v věda o materiálech a geologie pro syntézu a studium různých fáze materiálů pod extrémním tlakem, jakož i pro průmyslovou výrobu cenných minerálů, zejména syntetické diamanty, protože napodobují tlaky a teploty, které existují hluboko na Zemi. Tyto přístroje umožňují současné stlačování a zahřívání vzorků v pevné fázi o velikosti milimetru, jako je skály, minerály, keramika, brýle, kompozitní materiály nebo kovy a jsou schopné dosáhnout tlaku nad 25 GPa a teploty přesahující 2 500 ° C. To umožňuje minerálním fyzikům a petrologům studujícím vnitřní prostor Země experimentálně reprodukovat podmínky nalezené v celém vesmíru litosféra a horní plášť, oblast, která se rozprostírá na blízkém povrchu do hloubky 700 km. Kromě lisování na vzorek prochází experiment elektrickým proudem pecí uvnitř sestavy, aby generoval teploty až do 2200 ° C.[1] Ačkoli Buňky diamantové kovadliny a lehké plynové zbraně umožňuje přístup k ještě vyšším tlakům, zařízení s více kovadlinami může pojmout mnohem větší vzorky, což zjednodušuje přípravu vzorků a zlepšuje přesnost měření a stabilitu experimentálních parametrů.

The lis s více kovadlinami je relativně vzácný výzkumný nástroj. Lawrence Livermore National Laboratory dva lisy byly použity pro různé studie materiálových vlastností, včetně difúze a deformace keramiky a kovů, hluboce zaměřené zemětřesení a vysokotlaká stabilita minerálních fází.

Dějiny

Přístroj 6-8 s více kovadlinami představili Kawai a Endo[2] pomocí dělené ocelové koule zavěšené v tlakovém oleji, později upravené[3] používat hydraulický píst. V roce 1990 Walker a kol.[4] zjednodušil první stupeň komprese zavedením odnímatelného designu klobouku, což umožňuje běžné strojní lisy převést na vícekovové systémy. Byly zavedeny a standardizovány různé konstrukční provedení včetně Walkable castable,[5] a sestavy COMPRES.[6] Nedávné pokroky se zaměřily na měření in-situ a standardizaci materiálů a kalibrací.

Základní provedení

Typické zařízení s více kovadlinami Kawai 8–6 s více kovadlinami používá k natlakování oleje vzduchová čerpadla, která pohánějí vertikální hydraulický píst ke stlačení válcové dutiny známé jako kloboučnický box. Tato dutina je vyplněna šesti ocelovými kovadlinami, třemi směrem nahoru a třemi dolů, které se sbíhají na sadě osmi kostek karbidu wolframu. Vnitřní rohy těchto kostek se zkrátily, aby se vešly do oktaedrické sestavy. Tyto oktaedry se pohybují od 8 mm na hraně 25 mm a jsou obvykle složeny z MgO nebo jiného materiálu, který se tvárně deformuje v rozsahu experimentálních podmínek, aby se zajistilo, že experiment bude vystaven hydrostatickému namáhání. Když je tato sestava stlačena, vytlačuje se mezi kostky a vytváří těsnění. Mezi dvěma protilehlými plochami je vyvrtán válec, aby se přizpůsobil experimentu. Experimenty, které vyžadují zahřátí, jsou obklopeny válcovou grafitovou nebo válcovou pecí LaCrO3, které mohou produkovat značné teplo elektrickým odporem. Grafitová pec však může být při vyšších tlacích nepříjemná kvůli své tendenci transformovat se na diamant. Multi-kovadlina DIA je hlavní alternativou k buňce Kawai: používá šest kovadlin ke kompresi kubického vzorku.[4]

Teorie

V zásadě je lis s více kovadlinami podobný konstrukci jako strojní lis s tím rozdílem, že k zesílení tlaku využívá zvětšení síly zmenšením oblasti, na kterou je síla aplikována:

To je analogické s mechanickou výhodou využívanou pákou, kromě toho, že síla je aplikována lineárně, namísto úhlově. Například typická víceúčelová kovadlina by mohla použít 9 806 650 N (odpovídá zatížení 1000 t ) na oktaedrickou sestavu 10 mm, která má povrchovou plochu 346,41 mm2, aby se ve vzorku vytvořil tlak 28,31 GPa, zatímco tlak v hydraulickém pístu je pouhých 0,3 GPa. Proto použití menších sestav může zvýšit tlak ve vzorku. Zátěž, kterou lze aplikovat, je omezena tlakovou mezí kluzu kostek z karbidu wolframu, zejména u experimentů s ohřevem. Ještě vyšších tlaků, až 90 GPa, bylo dosaženo použitím 14 mm slinutých diamantových kostek místo karbidu wolframu.[7]

Měření v multifunkčním kovadlině

Většina analýz vzorků se provádí poté, co je experiment zastaven a odstraněn z vícekovy. Je však také možné provádět měření in-situ. Obvody, včetně termočlánky nebo tlakově proměnné odpory, mohou být zabudovány do sestavy pro přesné měření teploty a tlaku. Akustická interferometrie lze použít k měření seismické rychlosti skrz materiál nebo odvodit hustotu materiálů.[8] Odpor lze měřit složitou impedanční spektroskopií.[9] Magnetické vlastnosti lze měřit pomocí zesílení nukleární magnetická rezonance ve speciálně konfigurovaných vícekovačích.[8] DIA design s více kovadlinami často zahrnuje diamantová nebo safírová okna zabudovaná do wolframových kovadlin, která umožňují rentgenové záření nebo neutrony proniknout do vzorku.[10] Tento typ zařízení dává vědcům na zdrojích synchrotronové a neutronové spalinace schopnost provádět difrakční experimenty k měření struktury vzorků za extrémních podmínek.[11] To je nezbytné pro pozorování neutuchajících fází hmoty, protože jsou kineticky a termodynamicky nestabilní při nízkých teplotách a tlaku.[12] Viskozitu a hustotu vysokotlakých tavenin lze měřit in situ pomocí metody ponorného plováku a neutronové tomografie. V této metodě je vzorek implantován do předmětů, jako jsou platinové koule, které mají různé vlastnosti hustoty a rozptylu neutronů ve srovnání s materiálem, který je obklopuje, a dráha objektu je sledována, jak klesá nebo plave přes taveninu. K výpočtu hustoty lze současně použít dva objekty s kontrastním vztlakem.[8]

Aplikace

Tlak, stejně jako teplota, je základní termodynamický parametr který ovlivňuje molekulární strukturu, a tím i elektrický, magnetický, tepelný, optický a mechanické vlastnosti materiálů. Zařízení, jako je zařízení s více kovadlinami, nám umožňují sledovat účinek vysokého tlaku na strukturu a vlastnosti materiálu. Lisy s více kovadlinami se v průmyslu příležitostně používají k výrobě minerálů výjimečné čistoty, velikosti a kvality, zejména vysokotlakých vysokoteplotních (HPHT) syntetických diamantů a c-boru-nitridu. Multi-kovadliny jsou však zařízení s vysokou cenou a jsou velmi adaptabilní, takže se častěji používají jako vědecké přístroje. Vícekovové kovadliny mají tři hlavní vědecká použití: 1) syntetizovat nový vysokotlaký materiál; 2) změnit fáze materiálu; 3) zkoumat vlastnosti materiálů při vysokých tlacích. Ve vědě o materiálech to zahrnuje syntézu nových nebo užitečných materiálů s potenciálními mechanickými nebo elektronickými aplikacemi, jako jsou vysokotlaké supravodiče nebo ultra tvrdé látky.[13] Geologové se primárně zabývají reprodukcí podmínek a materiálů nalezených v hluboké Zemi, aby studovali geologické procesy, které nelze přímo pozorovat. Minerály nebo horniny jsou syntetizovány, aby se zjistilo, jaké podmínky jsou odpovědné za různé minerální fáze a textury, které jsou potřeba). Geologové také k měření používají vícekovy kinetika reakcí, hustota, viskozita, stlačitelnost, difuzivita a tepelná vodivost horniny v extrémních podmínkách.[14][15]

externí odkazy

  • 1000tunový vícekovový lis na Caltech (archivovaná verze )
  • 500 tunový tisk v Oxfordu
  • Walker, D. (1991). „Mazání, těsnění a přesnost v multivilárních experimentech“ (PDF). Americký mineralog. 76: 1092–1100.

Reference

  1. ^ Studium formování Země: Multi-Anvil Press at Work Archivováno 2010-05-28 na Wayback Machine // LLNL
  2. ^ Kawai, N .; Endo, S. (1970). "Generování ultravysokých hydrostatických tlaků zařízením s dělenou sférou". Přehled vědeckých přístrojů. 41 (8): 1178–1181. Bibcode:1970RScI ... 41,1178 tis. doi:10.1063/1.1684753.
  3. ^ Kawai, N .; Togaya, M .; Onodera, A. (1973). „Nové zařízení pro vysokotlaké nádoby“. Sborník Japonské akademie. 49 (8): 623–6. doi:10.2183 / pjab1945.49.623.
  4. ^ A b Walker, D .; Carpenter, M. A.; Hitch, C.M. (1990). "Některá zjednodušení pro víceúčelová zařízení pro experimenty s vysokým tlakem". Americký mineralog. 75: 1020–8.
  5. ^ Walker, D. (1991). "Mazání, těsnění a přesnost v multivilárních experimentech". Americký mineralog. 76: 1092–1100.
  6. ^ Leinenweber, K.D .; Tyburczy, J. A.; Sharp, T.G .; Soignard, E .; Diedrich, T .; Petuskey, W.B .; Wang, Y .; Mosenfelder, J.L. (2012). "Sestavy buněk pro reprodukovatelné experimenty s více kovadlinami (sestavy COMPRES)". Americký mineralog. 97 (2–3): 353–368. Bibcode:2012AmMin..97..353L. doi:10.2138 / am.2012.3844.
  7. ^ Zhai, S .; Ito, E. (2011). „Nedávné pokroky v oblasti vysokotlakého generování v multianiválním přístroji využívajícím sintrované diamantové kovadliny“. Geoscience Frontiers. 2 (1): 101–6. doi:10.1016 / j.gsf.2010.09.005.
  8. ^ A b C Chen, J .; Wang, Y .; Duffy, S .; Shen, G .; Dobrzhinetskaya, L.P. (2011). Pokroky ve vysokotlakých technikách pro geofyzikální aplikace. Elsevier. ISBN  978-0-08-045766-6.
  9. ^ Katsura, T .; Sato, K .; Ito, E. (1998). "Elektrická vodivost silikátového perokskitu za podmínek nižšího pláště". Příroda. 395 (6701): 493–5. Bibcode:1998 Natur.395..493K. doi:10.1038/26736.
  10. ^ Kato, T .; Ohtani, E .; Morishima, H .; Yamazaki, D .; Suzuki, A .; Suto, M .; Kubo, T .; Kikegawa, T .; Shimomura, O. (1995). "Rentgenové pozorování in situ vysokotlakých fázových přechodů MgSiO3 a tepelné roztažnosti MgSiO3 perovskitu při 25 GPa pomocí dvoustupňového vícepodlažního systému". Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 100 (B10): 20475–81. Bibcode:1995JGR ... 10020475K. doi:10.1029 / 95JB01688.
  11. ^ Nishiyama, N .; Wang, Y .; Sanehira, T .; Irifune, T .; Rivers, M.L. (2008). „Vývoj sestavy vícekovalných kovadlinek 6-6 pro vysokotlaké přístroje typu DIA a D-DIA“. Výzkum pod vysokým tlakem. 28 (3): 307–314. Bibcode:2008HPR .... 28..307N. doi:10.1080/08957950802250607.
  12. ^ Schollenbruch, K .; Woodland, A.B .; Frost, D.J .; Wang, Y .; Sanehira, T .; Langenhorst, F. (2011). „In situ stanovení přechodu spinel-post-spinel ve Fe3O4 při vysokém tlaku a teplotě pomocí synchrotronové rentgenové difrakce“. Americký mineralog. 96 (5–6): 820–7. Bibcode:2011AmMin..96..820S. doi:10.2138 / am.2011.3642.
  13. ^ Schilling, J.S. (1998). „Využití vysokého tlaku ve vědě o základních a materiálových vědách“. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 59 (4): 553–568. Bibcode:1998JPCS ... 59..553S. doi:10.1016 / S0022-3697 (97) 00207-2.
  14. ^ Mysen, Bjorn O .; Richet, Pascal (16. června 2005). Silikátová skla a taveniny: vlastnosti a struktura. Elsevier. ISBN  978-0-08-045771-0.
  15. ^ Giordano, D .; Russel, J. K.; Dingwell, D.B. (2008). "Viskozita magmatických kapalin: model". Dopisy o Zemi a planetách. 271 (1–4): 123–134. Bibcode:2008E & PSL.271..123G. doi:10.1016 / j.epsl.2008.03.038.