Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа
The literary review of designs and characteristics of cubic-anvil devices for creation of the pressure exceeding 10 GPа is submitted
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21787 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа / П.А. Балабанов, А.И. Боримский, Т.Ю. Чипенко, В.Н. Крикун // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 183-186. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859743727333933056 |
|---|---|
| author | Балабанов, П.А. Боримский, А.И. Чипенко, Т.Ю. Крикун, В.Н. |
| author_facet | Балабанов, П.А. Боримский, А.И. Чипенко, Т.Ю. Крикун, В.Н. |
| citation_txt | Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа / П.А. Балабанов, А.И. Боримский, Т.Ю. Чипенко, В.Н. Крикун // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 183-186. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The literary review of designs and characteristics of cubic-anvil devices for creation of the
pressure exceeding 10 GPа is submitted
|
| first_indexed | 2025-12-01T20:13:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
183
Рис. 1. Схема шестипуансонного АВД
типа DIA
УДК 62-988
П. А. Балабанов, А. И. Боримский, кандидаты технических наук,
Т. Ю. Чипенко, В. Н. Крикун
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
КУБИЧЕСКИЕ МНОГОПУАНСОННЫЕ АППАРАТЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
ДАВЛЕНИЙ ВЫШЕ 10 ГПА
The literary review of designs and characteristics of cubic-anvil devices for creation of the
pressure exceeding 10 GPа is submitted.
Техники высоких давлений и температур широко применяют в различных областях
науки и производства. С увеличением плотности материалов изменяются их физические
свойства, кристаллическая и электронная структуры, взаимное расположение атомов. Изуче-
ние этих явлений дает ценные сведения для развития представления о строении вещества.
Исследования при высоких давлениях также важны для получения материалов с новыми
свойствами. Последнее связано с получением фаз высокого давления, образующихся при
необратимых полиморфных превращениях.
Диапазон достигаемых давлений и температур определяется возможностями приме-
няемых аппаратов высокого давления (АВД). К настоящему времени освоены и широко при-
меняют давление до 10 ГПа, создаваемое при температуре 2700 К. Особый интерес пред-
ставляют АВД, позволяющие создавать более высокое давление, что значительно расширяет
возможности для исследований.
Среди аппаратов, используемых для создания давления более 10 ГПа, широко приме-
няют шестипуансонные АВД типа DIA с полостью высокого давления в форме куба [1]. Бла-
годаря сравнительно большому объему исследуемых образцов и широкому диапазону созда-
ваемых давлений, указанные АВД широко применяются для проведения различных исследо-
ваний, включая синтез новых материалов, изучение фазовых равновесий, электропроводно-
сти и вязкости расплавов, в том числе с использованием ультразвуковых измерений и рент-
геновских методов in situ.
АВД типа DIA состоит из двух симметрично расположенных (верхний и нижний) на-
правляющих блоков 1, шести пуансонов 2 и четырех клиновидных упорных блоков 3
(рис. 1).
Как показано на рис. 1, четыре из шести пуансонов установлены на упорных блоках, а
остальные два расположены на направляющих
блоках вдоль вертикальной оси аппарата. Внут-
ренние поверхности скольжения направляющих
блоков, расположенные под углом 45о к верти-
кальной оси аппарата, формируют полость в
форме правильного октаэдра, размеры которой
изменяются с изменением расстояния между
направляющими блоками. При сближении или
при удалении направляющих блоков
обеспечиваются симметричные перемещения
всех пуансонов относительно центра аппарата.
Квадратные рабочие грани пуансонов образуют в
центре аппарата полость в форме куба. Усилие от
гидравлического цилиндра, приложенное к
аппарату вдоль его вертикальной оси, сближает
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
184
Рис. 2. Схема куби-
ческих пуансонов
второй ступени с
ячейкой высокого
давления
направляющие блоки и, таким образом, сжимает кубическую ячейку высокого давления с
исследуемым образцом.
Обычно усилие главного цилиндра в АВД типа DIA составляет 1 МН. Объем иссле-
дуемых образцов в таких аппаратах не превышает 2 мм3.
Максимально достижимое давление при температуре до 2000 К зависит от размеров
передней рабочей грани пуансонов и, соответственно, размеров ячейки. При использовании
пуансонов, изготовленных из твердого сплава, максимально создаваемое в ячейке давление
составляет: 7 ГПа при длине стороны рабочих граней пуансонов 6 мм и длине ребра ячейки с
образцом 8 мм; 10 ГПа при длине стороны рабочей грани пуансонов 4 мм и длине ребра
ячейки с образцом 6 мм; 13 ГПа при длине стороны рабочей грани пуансонов 3 мм и длине
ребра ячейки с образцом 5 мм [2].
Долговечность пуансонов увеличивается при использовании для их изготовления по-
ликристаллического кубического нитрида бора [3]. При изготовлении пуансонов из алмазно-
го композиционного поликристаллического материала (АКПМ) достижимы давления до 18
ГПа при длине стороны рабочих граней пуансонов 3 мм и длине ребра ячейки с образцом 5
мм [4].
Аппараты типа DIA для работы при усилии одноосного сжатия до 15 МН используют
также в качестве первой ступени при создании двухступенчатых АВД [5]. В кубической по-
лости таких АВД расположены восемь кубических пуансонов второй ступени. Один угол
каждого пуансона усечен, благодаря чему образована треугольная
рабочая грань. В сборе восемь пуансонов образуют в центре
восьмигранную полость высокого давления в форме октаэдра, в
которой размещается контейнер с образцом (рис. 2).
Использование второй ступени позволяет значительно по-
высить уровень создаваемых давлений. Например, одноступенча-
тый аппарат модели MAX80 способен создавать давления до 12
ГПа, используя пуансоны из твердого сплава [6], и давление до
15 ГПа, используя пуансоны из АКПМ [7]. Использование в этой
модели изготовленных из АКПМ пуансонов второй ступени
позволило создать давление более 30 ГПа [8]. В двухступенчатом
аппарате модели MAX200x, созданном на базе аппарата MAX80,
для увеличения размеров исследуемых образцов, содержащих в
качестве второй ступени восемь пуансонов из твердого сплава с
длиной ребра 32 мм, достигнуто давление 25 ГПа при
максимальном усилии одноосного сжатия 17 МН [9].
Двухступенчатые аппараты типа DIA моделей SPEED 1500 и
SPEED MkII также предназначены для работы при усилиях
одноосного сжатия до 15 МН [7]. В модели SPEED 1500 для создания давления 30 ГПа при
температуре до 2500 К в качестве второй ступени используют восемь пуансонов из твердого
сплава с длиной ребра 26 мм. Аппарат SPEED MkII с пуансонами второй ступени, изготов-
ленными из АКПМ, с длиной ребра 14 мм позволяет создавать давление, достигающее 60
ГПа при той же температуре. Максимальное давление, достигнутое в SPEED 1500, составля-
ет 40 ГПа, в SPEED MkII – 63 ГПа [10].
При сжатии в аппарате DIA наковален Дрикамера, изготовленных из АКПМ, достиг-
нуто давление 90 ГПа в образце диаметром 250 мкм и толщиной 100 мкм при усилии одно-
осного сжатия 1,4 МН [11]. Диаметр пуансонов из АКПМ составлял 4 мм, рабочей площадки
наковальни – 0,7 мм.
На рис. 3 показана ячейка, которую использовали при проведении этих эксперимен-
тов.
Для изучения поведения материалов при больших пластических деформациях в усло-
виях высокого давления и температуры требуется устройство, в котором уровни напряжения
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
185
Рис. 3. Схема кубической ячейки
с установленными в ней нако-
вальнями Дрикамера в качестве
второй ступени: 1 – наковальни
Дрикамера; 2 – нагреватель; 3 –
контейнер; 4 – токоподвод
Рис. 4. Схема деформационого аппа-
рата D-DIA: 1 – направляющие блоки;
2 – ячейка высокого давления; 3 –
пуансоны; 4 –вспомогательные гид-
равлические цилиндры; 5 – упорные
блоки
и деформации может регулироваться в процессе экспериментов. Области применения таких
экспериментов – изучение реологических свойств различных материалов, исследование де-
формационного упрочнения ОЦК металлов и др.
Для исследований был создан аппарат D-DIA,
представляющий собой модификацию обычного
аппарата DIA, который позволяет пластически
деформировать материалы при давлении до 15 ГПа и
температуре до 2300 К [12].
Аппарат D-DIA дополнительно оснащен
двумя вспомогательными гидравлическими
цилиндрами, расположенными внутри
направляющих блоков, позволяющими верхнему и
нижнему пуансонам перемещаться вдоль оси
аппарата независимо от усилия, создаваемого
главным цилиндром (рис. 4).
Независимое управление этими пуансонами
позволяет деформировать образец без од-
новременного изменения общего гидростатического
давления (что являлось недостатком
многопуансонных аппаратов и алмазных наковален
как деформирующих устройств).
Для создания гидростатического давления в ячейке с образцом аппарат D-DIA сжи-
мают с помощью главного цилиндра. При этом верхний и нижний пуансоны находятся в ис-
ходном положении. После создания требуемых
давления и температуры, верхний и нижний
пуансоны перемещаются с помощью
вспомогательных гидравлических цилиндров по
направлению к центру аппарата. Одновременно
посредством оттока жидкости из главного
цилиндра четыре боковых пуансона
перемещаются в направлении от центра аппарата
для того, чтобы общее гидростатическое давление
в ячейке с образцом поддерживалось постоянным.
Поскольку направление движения всех пуансонов
может быть реверсировано, в D-DIA возможна
как сжимающая, так и растягивающая
деформация образцов. Перемещения всех пу-
ансонов регулируются и контролируются
компьютером.
Устройство D-DIA предназначено для
использования синхротронного рентгеновского
излучения, позволяющего измерять деформацию < 1 мкм, напряжение ~ 10 МПа соответст-
венно.
Выводы
1. К настоящему времени созданы и успешно применяют в исследованиях гамма–
кубические многопуансонные аппараты, позволяющие создавать давление более 10 ГПа с
одновременным нагревом исследуемых образцов до высокой температуры. Объем образцов в
таких аппаратах составляет около 2 мм3.
2. Одноступенчатые кубические аппараты с пуансонами из твердого сплава позволяют
создавать давление до 13 ГПа при температуре до 2000 К, а пуансоны из АКПМ – до 18 ГПа.
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
186
3. Применение в кубическом аппарате дополнительно второй ступени, состоящей из
восьми пуансонов из твердого сплава, сжимающих восьмигранную ячейку высокого давле-
ния в форме октаэдра, позволило повысить создаваемое давление до 30 ГПа при температуре
до 2500 К, а при использовании пуансонов второй ступени из АКПМ – до 60 ГПа при той же
температуре. Применение в качестве второй ступени наковален Дрикамера, изготовленных
из АКПМ, позволяет создать давление 90 ГПа в образце диаметром 250 мкм и толщиной 100
мкм.
4. Cоздан шестипуансонный (кубический) аппарат для исследования материалов при
больших пластических деформациях при давлении до 15 ГПа и температуре до 2300 К, в ко-
тором два пуансона могут перемещаться независимо от остальных, что позволяет пластиче-
ски деформировать образцы без изменения общего гидростатического давления.
Литература
1. A compact cubic anvil high pressure apparatus / J. Osugi, K. Shimizu, K. Inoue,
K. Yasunami // Rev. Phys. Chem. J. – 1964. – 34. – Р. 1–6.
2. High-pressure research: Application to Earth and planetary sciences / O. Shimomura, W.
Utsumi, T. Taniguci et al. – Washington: Terra Scientific, 1992. – P. 3–11.
3. Symmetric and asymmetric interferometric method for ultrasonic compressional and shear
wave velocity measurements in piston-cylinder and multi-anvil high-pressure apparatus / H.
J. Mueller, J. Lauterjung, F.R. Schilling et al. // European Journ. of Mineralogy. – 2002. –
14. – P. 581–589.
4. High pressure and high temperature generation using sintered diamond anvils / W. Utsumi,
T. Yagi, K. Leinenweber et al. // High-pressure research: Application to Earth and planetary
sciences. – Washington: Terra Scientific, 1992. – P. 37– 42.
5. A large-volume high-pressure and high-temperature apparatus for in situ X-ray observation /
T. Katsura, K. I. Funakoshi, A. Kubo et al. // Phys. Earth Planet. Inter. – 2004. – 143 – 144.
– Р. 497–506.
6. Hinze E., Kremmler J., Lauterjung J. Mehrstempel Hochdruck apparatur für Pulverdiffrak-
tometrie unter geowissenschaftlich relevanten Bedingungen, MAX-80. Förderung der
Grundlagenfor schung durch den Bundesminister für Forschung und Technologie, Ergebnis-
berichte 1989–1992 // Erforschung kondensierter Materie und Atomphysik im Verbund mit
Großgeräten: Physik-Chemie-Biologie, Band II, Festkör-perphysik und Materialforschung.
– 1992. – Р. 84–88.
7. The phase boundary between - and -Mg2SiO4 determined by in situ X-ray observation /
H. Morishima, T. Kato, M. Suto et al. // Science. – 1994. – 265. – Р. 1202–1203.
8. Thermoelastic properties of MgSiO3 perovskite determined by in-situ X-ray observations up
to 30 GPa and 2000 K / N. Funamori, T. Yagi, W. Utsumi et al. // Journ. of Geophys. Re-
search, B, Solid Earth and Planets. – 1996. – 101. – Р. 8257–8269.
9. Mueller H. J., Schilling F. R., Lathe C. Multianvil techniques in conjunction with synchro-
tron radiation at Deutsches Elektronen SYnchrotron (DESY) // Geolog. Soc. of Amer. Spec.
Paper. – 2007. – 421. – Р. 207–226.
10. High-pressure generation in the Kawai-type apparatus equipped with sintered diamond an-
vils / E. Ito, T. Katsura, Y. Aizawa et al. // Advances in High Pressure Technology for Geo-
physical Application. – Amsterdam: Elsevier Besloten Vennootschap, 2005. – Р. 451–460.
11. X-ray diffraction under ultrahigh pressure generated with sintered diamond anvils / W.
Utsumi, N. Toyama, S. Endo et al. // J. Appl. Phys. – 1986. – 60. – P. 2201–2204.
12. The deformation-DIA: a new apparatus for high temperature triaxial deformation to pres-
sures up to 15 GPa / Y. Wang, W. B. Durham, I. C. Getting, D. J. Weidner // Rev. Sci. In-
strum. – 2003. – 74. – Р. 3002–3011.
Поступила 15.06.09
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21787 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T20:13:48Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Балабанов, П.А. Боримский, А.И. Чипенко, Т.Ю. Крикун, В.Н. 2011-06-17T12:21:25Z 2011-06-17T12:21:25Z 2009 Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа / П.А. Балабанов, А.И. Боримский, Т.Ю. Чипенко, В.Н. Крикун // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 183-186. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21787 62-988 The literary review of designs and characteristics of cubic-anvil devices for creation of the pressure exceeding 10 GPа is submitted ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа Article published earlier |
| spellingShingle | Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа Балабанов, П.А. Боримский, А.И. Чипенко, Т.Ю. Крикун, В.Н. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title | Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа |
| title_full | Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа |
| title_fullStr | Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа |
| title_full_unstemmed | Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа |
| title_short | Кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 ГПа |
| title_sort | кубические многопуансонные аппараты для создания давлений выше 10 гпа |
| topic | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| topic_facet | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21787 |
| work_keys_str_mv | AT balabanovpa kubičeskiemnogopuansonnyeapparatydlâsozdaniâdavleniivyše10gpa AT borimskiiai kubičeskiemnogopuansonnyeapparatydlâsozdaniâdavleniivyše10gpa AT čipenkotû kubičeskiemnogopuansonnyeapparatydlâsozdaniâdavleniivyše10gpa AT krikunvn kubičeskiemnogopuansonnyeapparatydlâsozdaniâdavleniivyše10gpa |