大腔体六面顶压机的超高压碳化钨顶砧新结构研究

Under ultra-high pressure, the crystal structure, electronic band structure, and atomic interaction energy can be changed easily. Lots of novel materials and phenomena can be synthesized and found respectively, which can not be studied in condition of atmospheric pressure. These research results can expand understanding of the real world and increase our ability to transform nature. Thus, high pressure technology has been used in the field of extreme conditions physics widely and given high priority in the international arena. In order to solve the choke point of maximal cell pressure in the cubic high pressure apparatus (only 6 GPa), we have developed a new structure of tungsten carbide (WC) ultra-high pressure anvil (hybrid-anvil). The WC anvil (used in hybrid-anvil) is held in compressive stress by multi-steel supporting rings, so as to impart residual stress initially to counteract very high pressures generated during in ultra-high pressure conditions. The anvil face of hybrid-anvil is giving a convex shape for reaching a high pressure above 10GPa. We performed finite element analysis on scale parameters of hybrid-anvil and understanding of the principle of massive support and lateral support. Further more, the scientific design method of high pressure anvil and the platform of cubic ultra-high pressure (above 10 GPa) can be built successfully. This work represents a high pressure platform for study on the novel structure and properties of matter, design and synthesis of the functional materials.

压力作为一个基本物理条件，可以改变物质的晶体结构、电子结构和原子间的相互作用，生成许多常规条件下无法得到的新物质与新现象，拓展人类认识和改造自然的能力。因此，高压技术在国际上受到高度重视，广泛应用于极端条件下的凝聚态物理研究领域。本项目将针对高压研究普遍使用的六面顶压机的一级腔体压力仅为6GPa的瓶颈问题，提出通过多级预紧钢环与顶砧的过盈配合，实现顶砧材质的自增强；通过将顶砧的砧面结构改为缩减的多级凸台结构，实现腔体压力增加的"复合式碳化钨顶砧"这一新结构方案。借助有限元热-结构耦合模块，开展顶砧新结构的参数优化，揭示大质量支撑原理及侧向支撑原理的影响机制；依靠高压实验进行理论模型修证，确立科学的高压顶砧设计方法,并构建基于新结构碳化钨顶砧的一级腔体压力大于10GPa的大腔体六面顶超高压实验平台。满足物质新结构与性质研究、新型功能材料的设计与合成研究对大腔体、超高压环境的迫切需求。

（1）项目的背景：大腔体超高压技术在新材料合成、新现象揭示和新理论提出等方面起着其它手段难以替代的重要作用。遗憾的是，现今高压研究普遍使用的六面顶压机的一级腔体压力仅为6 GPa左右，这主要归因于顶砧几何参数、过盈装配参数与高压腔体压力之间的转化规律不明确，大质量支撑原理和侧向支撑原理影响机制研究不系统。.（2）主要研究内容：本项目系统地开展了大腔体六面顶压机的超高压碳化钨顶砧新结构的理论与实验研究。利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，将有限元分析用于高压顶砧设计，用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，从而结合高压实验，短周期、低成本地确立了一种科学的高压顶砧设计方法，并构建了一级腔体压力为13 GPa的大腔体六面顶高压实验平台。.（3）重要结果、关键数据：①碳化钨顶砧烧结缺陷制约着顶砧的几何参数实验优化，本项目通过有限元法开展顶砧参数的优化，消除了材料烧结缺陷对几何参数的影响，研究结果表明顶砧的传压效率及破裂几率伴随着斜边角度的增加而增加；41.5°倒角斜边能够最大幅度降低顶砧裂纹发生几率，42°倒角斜边能够一定程度上增加顶砧的传压效率。②为探明过盈装配参数的影响机制，开展了多层剖分模在0.35 mm、0.5 mm等不同过盈量取值装配下的应力分析，研究结果表明通过增加过盈装配层数能够使应力分布更均匀，并提高顶砧屈服极限。③为增加六面顶压机腔体压力，基于大质量支撑原理及侧向支撑原理，设计出可获得13 GPa腔体压力的凸台结构碳化钨顶砧，其样品腔体积可以达到14.13 mm3（直径3 mm-厚度2 mm）。④为降低碳化钨顶砧烧结缺陷及实验成本，开发出复合式环形顶砧新结构，其能够增加样品腔体积4.88 %、传压效率6.72 %，降低破裂几率40 %。⑤为增加六面顶压机金刚石的合成产量及品质，开发出异形碳化钨顶砧及配套腔体技术，其能够增加腔体体积125.02 %，使配套的腔体温度场与压力场更为协调，从而大幅度增加金刚石合成品质。⑥为提高顶砧寿命，开发出圆角凹形顶砧及双圆角顶砧新结构。⑦基于构建的超高压平台，开展了高氮金刚石变色实验，阐明了氮结构转变机理；满足了准晶复合材料块体高压烧结制备需求。.（4）科学意义：确立了一种科学的顶砧设计方法，解决了顶砧设计周期长、投入大等弊病；构建了一级腔体压力为13 GPa的大腔体六面顶高压实验平台。