Lis s více kovadlinami - Multi-anvil press

The lis s více kovadlinami je typ zařízení určeného k extrémně vysoké produkci tlaky v relativně malém objemu. Tento typ kovadlinový lis se používá v věda o materiálech a geologie pro syntézu a studium materiálů v pevné fázi pod extrémním tlakem, jakož i pro průmyslovou výrobu cenných materiálů minerály, zvláště syntetické diamanty. Tyto přístroje umožňují současné stlačování a zahřívání vzorků v pevné fázi o velikosti milimetru, jako je skály, minerály, keramika, brýle, kompozitní materiály nebo slitiny kovů a jsou schopné dosáhnout tlaku nad 25 GPa a teploty přesahující 2500° C. To umožňuje minerálním fyzikům a petrologové studovat Vnitřek Země experimentálně reprodukovat podmínky nalezené v litosféře a horní plášť, do hloubky 700 km (citace, obrázek 1,2). Buňky diamantové kovadliny a lehké plynové zbraně může přistupovat k ještě vyšším tlakům, ale vícevřetenové zařízení může pojmout mnohem větší vzorky, což zjednodušuje přípravu vzorků a zlepšuje přesnost měření a stabilitu experimentálních parametrů[1][2].

Dějiny

Přístroj 6-8 s více kovadlinami představili Kawai a Endo (1970) pomocí dělené ocelové koule zavěšené v tlakovém oleji, později upraveném[3] používat hydraulický RAM. V roce 1990 Walker a kol. zjednodušil první stupeň komprese zavedením odnímatelné konstrukce klobouku, což umožnilo převést běžné strojní lisy na vícekovové systémy. Byly zavedeny a standardizovány různé konstrukční provedení včetně Walkable castable,[4] a sestavy COMPRES.[5] Nedávné pokroky se zaměřily na měření in-situ (odkaz na další část) a standardizaci materiálů a kalibrací.

Základní provedení

Typické zařízení s více kovadlinami Kawai s články 8-6 využívá vzduchová čerpadla k natlakování oleje, který pohání vertikální hydraulický píst ke stlačení válcové dutiny známé jako kloboučnický box. Tato dutina je vyplněna šesti ocelovými kovadlinami, třemi a třemi směrem dolů, které se sbíhají na sadě osmi kostek z karbidu wolframu. Vnitřní rohy těchto kostek se zkrátily, aby se vešly do oktaedrické sestavy. Tyto oktaedry se pohybují od 8 mm do 25 mm na okraji a jsou obvykle složeny z MgO nebo jiného materiálu, který se tvárně deformuje v rozsahu experimentálních podmínek, aby se zajistilo, že experiment je vystaven hydrostatickému namáhání. Když je tato sestava stlačena, vytlačuje se mezi kostky a vytváří těsnění. Válec je vyvrtán mezi dvěma protilehlými plochami, aby se do něj mohl umístit experiment. Experimenty, které vyžadují zahřívání, jsou obklopeny válcovou grafitovou nebo válcovou pecí LaCrO3, které mohou produkovat značné teplo elektrickým odporem (obrázek 4). 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.

Teorie

Vícenásobný kovadlinový lis má v zásadě podobný design jako a strojní lis kromě toho, že používá zvětšení síly k zesílení tlaku zmenšením oblasti, na kterou je síla aplikována:

P = F / A

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 1 000 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.[6]

Měření v multikrobě

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. Akustickou interferometrii lze použít k měření seismických rychlostí skrz materiál nebo k odvození hustoty materiálů.[7] Odpor lze měřit složitou impedanční spektroskopií.[8] Magnetické vlastnosti lze měřit pomocí zesílené nukleární magnetické rezonance ve speciálně konfigurovaných více kovadlinách.[7] DIA design s více kovadlinami často zahrnuje diamantová nebo safírová okna zabudovaná do wolframových kovadlin, která umožňují rentgenovým paprskům nebo neutronům proniknout do vzorku.[9] Tento typ zařízení dává vědcům na zdrojích synchrotronové a neutronové spalinace schopnost provádět difrakční experimenty k měření struktury vzorků za extrémních podmínek.[10] To je nezbytné pro pozorování neutuchajících fází hmoty, protože jsou kineticky a termodynamicky nestabilní při nízkých teplotách a tlaku.[11] Viskozita a hustota vysokotlakých tavenin lze měřit in situ pomocí metody ponorného plováku a neutronu 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. Dva objekty s kontrastem vztlak lze použít současně k výpočtu hustoty.[7]

Aplikace

Tlak, stejně jako teplota, je základní termodynamické parametr, který ovlivňuje molekulární strukturu, a tím i elektrické, magnetické, tepelné, optické 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 vysokotlaké vysokoteplotní (HPHT) syntetické diamanty a c-nitrid boritý. 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.[12] Geologové se primárně zabývají reprodukcí podmínek a materiálů nacházejících se v hlubinách, 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 používají vícekovy k měření kinetiky reakcí, hustoty, viskozity, stlačitelnosti, iontové difuzivity a tepelné vodivosti hornin za extrémních podmínek.[13][14]

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

Obrázek 2: Věda o Zemi: zkoumání světelných prvků jádra Thomas S. Duffy, příroda 479, 480–481 (24. listopadu 2011) doi: 10,1038 / 479480a

Viz také

Reference

  1. ^ Liebermann, Robert C. (01.12.2011). „Multi-kovadlina, vysokotlaký přístroj: půlstoletí vývoje a pokroku“. Výzkum pod vysokým tlakem. 31 (4): 493–532. doi:10.1080/08957959.2011.618698. ISSN  0895-7959.
  2. ^ Miletich, Ronald; Allan, David R .; Kuhs, Werner F. (01.01.2000). „Vysokotlaké monokrystalické techniky“. Recenze v mineralogii a geochemii. 41 (1): 445–519. doi:10,2138 / rmg.2000.41.14. ISSN  1529-6466.
  3. ^ Kawai, N. a S. Endo (1970). "Generování ultravysokých hydrostatických tlaků zařízením s dělenou sférou". Recenze vědeckých přístrojů. 41: 1178. Bibcode:1970RScI ... 41,1178 tis. doi:10.1063/1.1684753.
  4. ^ Walker, D. (1991). "Mazání, těsnění a přesnost v multivilárních experimentech". Americký mineralog. 76: 1092–1100.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  5. ^ Leinenweber, K. D., J. A. Tyburczy, T. G. Sharp, E. Soignard, T. Diedrich, W. B. Petuskey, Y. Wang a J. L. Mosenfelder (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.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  6. ^ Zhai, S. a E. Ito (2011). „Nedávné pokroky v oblasti vysokotlakého generování v multianiválním přístroji využívajícím sintrované diamantové kovadliny“. Geoscience Frontiers. 2 (1): 101–106. doi:10.1016 / j.gsf.2010.09.005.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  7. ^ A b C Chen, J., Y. Wang, S. Duffy, G. Shen a L. P. Dobrzhinetskaya (2011). "Pokroky ve vysokotlakých technikách pro geofyzikální aplikace". Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  8. ^ Katsura, T., K. Sato a E. Ito (1998). "Elektrická vodivost silikátového perovskitu za podmínek nižšího pláště". Příroda. 395: 493–495. Bibcode:1998 Natur.395..493K. doi:10.1038/26736.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  9. ^ Kato, T., E. Ohtani, H. Morishima, D. Yamazaki, A. Suzuki, M. Suto, T. Kubo, T. Kikegawa a O. Shimomura (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: 20475–20481. Bibcode:1995JGR ... 10020475K. doi:10.1029 / 95jb01688.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  10. ^ Nishiyama, N., Y. Wang, T. Sanehira, T. Irifune a M. L. Rivers (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.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  11. ^ Schollenbruch, K., A. B. Woodland, F. D. J., Y. Wang, S. T. a L. F. (2011). „In situ stanovení přechodu spinel-post-spinel ve Fe3O4 při vysokém tlaku a teplotě pomocí synchrotronové rentgenové difrakce“. Americký mineralog. 96: 820–827. Bibcode:2011AmMin..96..820S. doi:10.2138 / am.2011.3642.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  12. ^ 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.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  13. ^ Mysen, B. O. a P. Richet (2005). "Silikátová skla a taveniny: vlastnosti a struktura". Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  14. ^ Giordano, D., J. K. Russel a D. B. Dingwell (2008). "Viskozita magmatických kapalin: model". Dopisy o Zemi a planetách. 271: 123–134. Bibcode:2008E & PSL.271..123G. doi:10.1016 / j.epsl.2008.03.038.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)