[发明专利]一种用于产生高压高剪切应力的聚晶金刚石-硬质合金复合压砧

说明书

本发明公开了一种产生高压高剪切应力的聚晶金刚—硬质合金复合压砧，属于高压技术领域。其特点是是该压砧的砧体为圆柱型，且分为上下两层，上层为聚晶金刚石层，下层为硬质合金层，在压砧的聚晶金刚石层的顶端有一圈倒角，倒角的角度θ为5～30°。倒角后的聚晶金刚层的顶面为压砧的作用面，作用面为圆形。该种压砧与现在应用的单晶金刚石压砧相比，具容易加工、韧性高、作用面尺寸大、样品腔直径可达到厘米级等优点，可广泛应用于利用旋转压机进行高压材料性质变化的研究，满足在高压物理学领域对高压剪切物质体系研究中所需样品量较大、剪切力较高、可进行电学测量等的需求。

技术领域

本发明涉及一种用于产生高压高剪切应力的聚晶金刚石-硬质合金复合压砧，具体来说，是在旋转压机装置中使用的对顶压砧。

背景技术

根据近年来已报道的理论和实验结果显示，对某些材料在高压条件下同时施加剪切应力会明显加速物质的晶格畸变，降低物质相变压力，甚至改变其相变路径，尤其对层状物质结构的变化影响显著。因而在高压条件下同时对材料施加剪切应力，能够获得一些单独高压环境下得不到的新结构、新现象和新性质。在传统静水压环境下，样品所受的压力是各向同性的，在外界施加的能量超过材料相变能量势垒后相变才会发生，而通过施加剪切应力，应力会在样品某一区域集中，相变在这一区域首先发生，从而可以大幅降低相变压力。

在静高压实验中通常使用单晶金刚石作为原材料打磨加工后做成压砧，利用金刚石对顶砧装置进行加压，既可以产生极高的压力也可以将金刚石作为光学窗口进行光学测量。近年来，有一些旋转压机装置利用单晶金刚石作为压砧对实验样品施加高压高剪切力，其优点在于可以对内部样品的变化进行直接测量，并且可对样品施加较高的压力，但在实验实际使用过程中发现单晶金刚石作为压砧用在旋转压机上也存在一些弊端。一方面单晶金刚石的生产及加工受到技术和成本的限制，很难做成大尺寸压砧，导致可进行实验的样品量十分微少，更加难以应用到实际生产当中，且实验表明，只有使用大尺寸压砧，才更易产生较大的剪切应力，从而易使材料发生异常转变。另一方面，单晶金刚石虽硬度极高，但是韧性和耐磨性较差，在实验中、尤其是旋转操作中易损坏，实验成本极高。所以迫切要求寻找其他的材料和制备方法替代单晶金刚石制作成压砧用于旋转压机上。

发明内容

本发明的目的是针对现有单晶金刚石压砧无法做成大尺寸和韧性、耐磨性较差的不足，提供一种用于产生高压高剪切应力的聚晶金刚石—硬质合金复合压砧，通过改良压砧的形状和材质，使得高压高剪切实验中可容纳更大的样品量，同时起到提高压砧的韧性和耐磨性，增加压砧的使用寿命的作用。

本发明的目的由以下技术措施实现：

一种用于产生高压高剪切应力的聚晶金刚石-硬质合金复合压砧，压砧砧体为圆柱体，分为上下两层，上层为聚晶金刚石层1，下层为硬质合金层2，聚晶金刚石层1与硬质合金层2以直接烧结成一体的方式结合；聚晶金刚石层1为圆柱体，其顶端有一圈倒角，所述倒角的角度θ为5～30°。

倒角后的聚晶金刚石层的顶面为压砧的作用面，作用面为圆形。所述的硬质合金2一般采用碳化钨硬质合金。

压砧的整体高度在5～20cm之间、聚晶金刚石层的厚度在0.5～5cm之间、压砧半径R在1～10cm之间、作用面r的大小在0～R之间。

压机工作时，上下两个压砧置于旋转压机中，作用面对在一起，中间装入封垫材料和样品，外部驱动力使两个压砧之间产生压力以及剪切应力进行实验，可产生20GPa以上的压强。

本发明具有以下优点：

1.可制作成较大尺寸的压砧，作用面直径可达到10cm以上，样品腔直径可达到厘米级以上，可容纳较大样品量进行实验，补充了单晶金刚石压砧所无法达到的实验效果。