ChinesePhysicsL的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/ChinesePhysicsL

博文

研究快讯 | 大腔体压机的超高压关键技术突破

已有 2514 次阅读 2020-9-15 07:48 |系统分类:论文交流

1.gif

Editors' Suggestion


Pressure Generation above 35 GPa in a Walker-Type Large-Volume Press

Yu-Chen Shang (尚宇琛), Fang-Ren Shen (沈方韧), Xu-Yuan Hou (侯旭远), Lu-Yao Chen (陈璐瑶), Kuo Hu (胡阔), Xin Li (李鑫), Ran Liu (刘然), Qiang Tao (陶强), Pin-Wen Zhu (朱品文), Zhao-Dong Liu (刘兆东), Ming-Guang Yao (姚明光), Qiang Zhou (周强), Tian Cui (崔田), and Bing-Bing Liu (刘冰冰)

Chin. Phys. Lett. 2020, 37 (8): 080701


文章亮点

建立了基于大腔体压机的超高压关键技术,在Walker型1000吨大腔体压机上,通过对新型超硬碳化钨二级压砧的物性分析与设计,以及优化一级压砧同步压缩性以及高压组装,突破了普通商用大腔体压机的压力极限(25-27 GPa),在较大的样品腔体上(直径和高度均大于1.5毫米),在室温和高温下均达到35万大气压 (35 GPa)以上,为超高压下新型物质的合成与物性研究以及地球深部科学的探索提供了关键技术保障。

微信图片_20200915013536.jpg

图1. (a) 吉林大学Walker型1000吨大腔体压机上不同高压组装的压力产生;(b) 国际上和本工作中不同类型的超硬碳化钨压砧在大腔体压机上的压力和温度产生。


大腔体压机的超高压关键技术突破


研究背景

大腔体压机因其在高压下精确的温度控制、均一的温度分布、较大的样品合成腔体(毫米至厘米级),在地球科学、行星科学、材料、物理、化学等基础科学研究以及工业领域有着广泛的应用。特别的是,利用大腔体压机合成的金刚石已在工业上广泛应用,在国家需求、国民经济、国防建设等领域具有不可或缺的重要作用(图2)。


微信图片_20200915013539.jpg

图2. 大腔体压机的应用(图片来源于网络)。


根据压力产生定律,受限于大腔体压机的较大的受力面积或较大腔体,其压力产生的极限往往低于25-27 万大气压(1万大气压=1 GPa),尤其是在高温下,在相对较大的样品腔体上产生超高压一直是非常具有挑战性,技术门槛较高,国际上大部分国家以及国内都是空白领域。因此其压力产生的水平也代表着大腔体压机先进技术的发展水平。


近年来,国际上仅有日本和德国几个研究小组利用超硬碳化钨或者烧结金刚石压砧集成的二级装置,在毫米级别的样品腔体上,先后突破大腔体压机的压力极限,达到30 GPa以上,在高压科学领域取得了一系列的科学前沿成果。但大腔体压机的超高压技术较为复杂、耗时较长且成本较高,在毫米级别的腔体上且在高温下产生的压力高于27 GPa,对大部分国际高压实验室仍是一个难点和挑战。因此发展大腔体压机的超高压关键技术对于高压科学及其新型物质的探索和合成具有非常重要的意义。


内容简介

近日,吉林大学超硬材料国家重点实验室、综合极端条件高压科学中心的刘冰冰、姚明光、刘兆东等带领的高压研究团队在实验室建设的1000吨的Walker-型大腔体压机上(图3),通过新型国产碳化钨二级压砧(河源正信硬质合金有限公司生产)的物性分析与设计,优化一级压砧的同步压缩性和高压组装,突破普通商用大腔体压机的压力极限,在常温和高温条件下实现了35万大气压 (35 GPa)以上的超高压条件,样品腔体直径和高度均大于1.5毫米,建立了大腔体压机的超高压关键技术。


微信图片_20200915013542.jpg

图3. Walker型1000吨大腔体压机及其高压组装。


微信图片_20200915013545.jpg

图4. 碳化钨压砧的扫描电镜图以及颗粒尺寸分布。


研究团队发现ZK01F碳化钨压砧的颗粒尺寸在0.5 μm左右,明显小于ZK10F和ZK20F压砧的颗粒尺寸(图4);这三种型号压砧的Co粘结剂的含量依次为4、6和8 wt%。验证了随着碳化钨压砧烧结颗粒尺寸的减小和粘结剂含量的减少,碳化钨压砧的硬度变地越高。对于同一种7/3(八面体传压介质边长=7 mm/碳化钨截角尺寸=3 mm)高压组装,ZK01F碳化钨压砧的产压效率比ZK10F压砧的产压效率略高,前两者的产压效率都远远高于ZK20F压砧的产压效率,与同类型的国外超硬碳化钨压砧(TF05等)产压效率媲美(图5a-c)。卸压后的三种碳化钨压砧的压缩形变的变化趋势进一步验证了其硬度和产压效率的变化规律(图5e)。


微信图片_20200915013547.jpg

图5. 三种型号碳化钨压砧的压力校正与产压效率对比(a-c);带一定角度倾斜角和平整的碳化钨压砧的产压效率对比(d);从23 GPa卸压后,截角为3mm的三种碳化钨二级压砧的形变测量 (e);超高压组装在27 和36 GPa的高温产生(f-g)。


研究团队采用ZK01F超硬碳化钨二级压砧和四种不同尺寸的样品腔体的组装(7/3、10/4、 10/5和 14/8组装)集成的二级装置,温度可以达到2000-2500 K高温,压力可以达到18-30 GPa,初步成功合成出系列高品质毫米级别的宝石级烧结矿物,为超高压超声波波速测量提供了高质量的样品。进一步采用有一定倾斜角度的压砧以及小配件组装(6/1.5),可以在1.5 mm的样品腔体上以及在室温和高温条件下,压力突破35 万大气压,达到36-38 GPa左右(图5d-e),也就是达到地球深部970 公里的温压条件。此外,本技术有望应用到我们建设中的综合极端条件高压科学中心的更高荷载以及加载系统更好的大腔体压机上,在毫米级腔体上继续实现45 GPa以上的极端环境。


研究意义和重要性

在大腔体压机的相对较大的腔体上产生超高压代表着大腔体压机的先进技术水平,其关键超高压技术的突破将为极端环境下新物质、新现象和新规律的探索提供关键技术保障,进一步推动大腔体压机在基础科学和工业领域的应用。


本工作得到超硬材料国家重点实验室朱品文、陶强等带领的功能材料高温高压研究团队的密切合作,也得到国家基金委项目的资助。


原文链接

HTML

PDF


研究快讯集锦

高压调控准1维Ba9Fe3Te15的结构-自旋-输运性质

空间反演对称体系中隐藏自旋极化的对称性保护

利用加权迁移率和品质因数预测P型SnS晶体的潜在热电性能

热传导对流系统中的负热输运现象

中国取得铌酸锂光波导制备技术突破

芳香族多肽的自组装纤维具有超强抗磁性

石墨烯-铁磁体界面处Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的起源:层内RKKY/BR相互作用

黑磷中费米子的高温霍金辐射

在硅衬底上外延生长的铁磁性MnSn单层

三维细胞内的准二维扩散现象

拓扑反铁磁绝缘体Mn2Bi2Te5中的强动力学轴子场

一种实现高速大规模离子型量子计算的二维架构

氧化石墨烯的全新认识:水分子吸附可致氧化石墨烯常温下转换成自发动态共价材料

本征磁性拓扑绝缘体的高压原位研究

金属的油腻表叔——找到了

量⼦共振搜索

热力学量子物质中的虚时间晶体

面向稳态托卡马克聚变堆改善高极向比压等离子体约束性能的新途径

热拉拔金属玻璃微丝的“年轻化”效应

量子纠缠谱的临界标度

单层T-Graphene的超导及其合成路径

金刚石对顶砧中NV中心实现的高压原位磁测量

内禀磁性拓扑绝缘体的实验实现

拓扑超导体(Li,Fe)OHFeSe磁通中心马约拉纳零能模的量子化电导

新量子自旋液体候选材料Cu3Zn(OH)6FCl

稀土硫族化合物:三角格子量子自旋液体材料的大家族

量子反常霍尔效应多层结构的实验实现

2.jpg

点此浏览所有Express Letters


CPL Express Letters栏目简介

为了保证重要研究成果的首发权和显示度,CPL于2012年6月开设了Express Letters栏目。此栏目目前已发表国内外著名物理学家的优秀论文98篇,平均发表周期约一周。截至2019年底,平均每篇被引用约20次,已经在国内物理学界建立起良好口碑与声望,来稿数量不断增加。


CPL高被引论文数量统计

JCR统计数据表明,CPL发表的高被引论文数量在中国同类期刊中名列前茅。迄今为止,

   有1篇引用超过1000次,

   有2篇引用超过500次,

   有8篇引用超过200次,

   有26篇引用超过100次,

   有108篇引用超过50次。


3.jpg

阅读原文




https://m.sciencenet.cn/blog-3426263-1250597.html

上一篇:研究快讯 | 长程相互作用效应和形状效应在高密度下的耦合
下一篇:CPL亮点文章 | 2020年第8期

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 20:30

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部