專利名稱：多級圓角式高壓頂砧的制作方法
技術領域：
本發明公開了一種多級圓角式高壓頂砧，涉及探索金剛石、立方氮化硼及其制品等新型超硬材料和“常壓”下無法制備的新材料的合成制備工具，屬于超高壓技術領域。
背景技術：
自從美國高壓物理學家Bridgman成功的設計出達到5GPa以上壓力的高壓設備后，高壓物理學取得了許多意義重大的成果。例如，在高溫高壓下合成出了金剛石、立方氮化硼等材料，研究了許多不同物質在高壓下的物理性質；但幾乎所有的高壓研究都離不開高壓密封裝置，高壓頂砧作為高壓密封裝置關鍵零部件之一，其性能對超高壓的獲得具有決定性意義。高壓頂砧作為研究“高壓”對物質的晶體結構、相變、狀態方程及物理性質等影響的必備工具，其研究是探索金剛石、立方氮化硼及其制品等新型超硬材料和“常壓”下無法制備的新材料的基礎，其廣泛被應用于高壓物理學、地球物理學、材料學以及高壓生物學等基礎科學研究領域。高壓頂砧作為高壓裝置的消耗性部件，其性能制約著高壓裝置可獲得的極限腔體壓力以及研究實驗或材料生產成本。現今，無論是對頂砧裝置、兩面頂高壓裝置、四面頂高壓裝置、六面頂高壓裝置，還是多級增壓裝置，配套使用的高壓頂砧均為帶拐角的簡單一級結構，由彈性理論知，帶拐角的組織均勻的脆性材料組成的高壓頂砧，因應力集中將大大降低強度，引起脆性材料斷裂，使高壓頂砧產生裂紋，從而降低其在極端條件(高溫高壓)下使用過程中的使用壽命。此外，現有帶拐角的簡單一級結構的高壓頂砧存在可獲得腔體壓力低以及腔體體積小等問題。為解決以上問題，研究“高壓”對物質的晶體結構、相變、狀態方程及物理性質等影響，促進高壓物理學、地球物理學、材料學以及高壓生物學等基礎科學的發展，發明人首次打破傳統頂砧的拐角及一級平臺設計結構，設計了多級圓角式高壓頂砧，此方面工作未見報道。

發明內容
本發明的目的在于解決極端條件(高溫高壓)下對頂砧裝置、兩面頂高壓裝置、四面頂高壓裝置、六面頂高壓裝置以及多級增壓裝置配套使用的高壓頂砧因其結構為帶拐角的簡單一級結構，從而存在的使用壽命低，可獲得腔體壓力低以及腔體體積小等問題，不能滿足高壓物理學、地球物理學、材料學以及高壓生物學對超高壓下物質體系研究需求。本發明的多級圓角式高壓頂砧，首次打破傳統頂砧的拐角及一級平臺設計結構，能夠降低頂砧應力集中效應、提高頂砧使用壽命，并獲得幾十萬至百萬個大氣壓的腔體壓力，可廣泛應用于對頂砧裝置、兩面頂高壓裝置、四面頂高壓裝置、六面頂高壓裝置以及多級增壓裝置，滿足高壓物理學、地球物理學、材料學以及高壓生物學對高溫高壓下物質體系研究需求，促進高壓物理學、地球物理學、材料學以及高壓生物學等基礎科學的發展。本發明的技術方案結合


如下本發明提供了一種多級圓角式高壓頂砧，其首次打破傳統頂砧的拐角及一級平臺
3設計結構，頂部為帶圓角的多級臺式結構，底部為帶倒角的柱體，頂部和底部之間由對稱的曲面或扇形斜面過渡；其材質為鋼材質、硬質合金、金剛石燒結體、立方氮化硼燒結體或天然金剛石等高硬度材料。所述頂部的帶圓角的多級臺式結構為帶圓角的多級圓臺式結構或帶圓角的多級棱臺式結構。所述的多級臺式結構頂面為平面或曲面。所述曲面為凸面或凹面。所述底部帶倒角的柱體為圓柱體或棱柱體。所述頂部帶圓角的多級臺式結構采用雙圓角二級圓臺式結構，其一級圓臺4和二級圓臺3的側面與頂面分別通過二級圓角2和一級圓角1過渡，一級圓臺4和二級圓臺3 為一體結構，底部為帶倒角的圓柱體底部5。在一級圓臺4和二級圓臺3之間通過用二-一級圓臺式臺面過渡圓角6過渡構成三圓角二級圓臺式結構。所述頂部帶圓角的多級臺式結構采用砧面縮減的三級棱臺式結構，其三級棱臺7 和二級棱臺8的側面與頂面分別通過一級圓角2和二級圓角1過渡，一級棱臺9的側面為與底部過渡的對稱大斜面，所述一級棱臺9、二級棱臺8和三級棱臺7為一體結構，底部為帶倒角的圓柱體底部5。在二級棱臺8和三級棱臺7之間通過三-二級棱臺式臺面過渡圓角10過渡，或在一級棱臺9和二級棱臺8之間通過二-一級棱臺式臺面過渡圓角11過渡構成三圓角三級棱臺式結構。在一級棱臺9、二級棱臺8和三級棱臺7之間通過二 - 一級棱臺式臺面過渡圓角 11和三-二級棱臺式臺面過渡圓角10過渡構成四圓角三級棱臺式結構。本發明上的技術效果是本發明的多級圓角式高壓頂砧，首次打破傳統頂砧的拐角及一級平臺設計結構， 通過采用圓角技術，降低頂砧應力集中效應；通過采用一體式多級臺式結構，提高高壓裝置的腔體壓力，從而獲得幾十萬至百萬個大氣壓的腔體壓力；通過將臺式結構頂面由平面結構改成凹面結構，增加高壓腔體體積；通過將臺式結構頂面由平面結構改成凸面結構，進一步增加腔體壓力。多級圓角式高壓頂砧可廣泛應用于對頂砧裝置、兩面頂高壓裝置、四面頂高壓裝置、六面頂高壓裝置以及多級增壓裝置，滿足高壓物理學、地球物理學、材料學以及高壓生物學對高溫高壓下物質體系研究需求，促進高壓物理學、地球物理學、材料學以及高壓生物學等基礎科學的發展。本發明的多級圓角式高壓頂砧投入較少，操作比較簡單，壓力傳遞快且效率高，能夠降低高壓裝置“調平”和“對中”等工作量大的問題；可以替代現有高壓頂砧，解決其價格昂貴、壓強轉化效率低以及維修工作量大等問題。

圖1是雙圓角二級圓臺式高壓頂砧，其中，圖1(a)是三維視圖，圖1(b)是剖視圖。圖2是三圓角二級圓臺式高壓頂砧，其中，圖2(a)是三維視圖，圖2(b)是剖視圖。圖3是雙圓角三級棱臺式高壓頂砧，其中，圖3(a)是三維視圖，圖3(b)是剖視圖。圖4是四圓角三級棱臺式高壓頂砧，其中，圖4(a)是三維視圖，圖4(b)是剖視圖。
圖5是雙圓角二級凹臺頂面高壓頂砧，其中，圖5(a)是三維視圖，圖5(b)是剖視圖。圖6是雙圓角二級凸臺頂面高壓頂砧，其中，圖6(a)是三維視圖，圖6(b)是剖視圖。圖7是雙圓角三級棱柱體底部高壓頂砧。圖中1. 一級圓角；2. 二級圓角；3. 二級圓臺；4. 一級圓臺；5.圓柱體底部； 6. 二-一級圓臺式臺面過渡圓角；7.三級棱臺；8. 二級棱臺；9. 一級棱臺；10.三-二級棱臺式臺面過渡圓角；11. 二-一級棱臺式臺面過渡圓角；12. 二級凹臺頂面；13. 二級凸臺頂面；14.棱柱體底部。
具體實施例方式下面結合附圖所示的實施例進一步說明本發明的具體內容和工作過程。為了解決極端條件(高溫高壓)下對頂砧裝置、兩面頂高壓裝置、四面頂高壓裝置、六面頂高壓裝置以及多級增壓裝置配套使用的高壓頂砧因其結構為帶拐角的簡單一級結構，從而存在的使用壽命低，可獲得腔體壓力低以及腔體體積小等問題，不能滿足高壓物理學、地球物理學、材料學以及高壓生物學對超高壓下物質體系研究需求。本發明是通過以下技術方案實現的本發明提供了一種多級圓角式高壓頂砧，其首次打破傳統頂砧的拐角及一級平臺設計結構，頂部為帶圓角的多級臺式結構，底部為帶倒角的柱體，頂部和底部之間由對稱的曲面或扇形斜面過渡。由彈性理論知，通過采用圓角技術，將傳統高壓頂砧的砧面邊緣處拐角用圓角替代，能夠消除傳統高壓頂砧拐角處的應力集中現象，降低拐角位置應力值，從而提高頂砧的使用壽命。多級圓角式高壓頂砧材質為鋼材質、硬質合金、金剛石燒結體、立方氮化硼燒結體或天然金剛石等高硬度材料。高壓頂砧材質硬度越高，高壓腔體可獲得的極限壓力值越高。所述頂部的帶圓角的多級臺式結構為帶圓角的多級圓臺式結構或帶圓角的多級棱臺式結構。由高壓頂砧設計原理——大質量支撐原理(面積比增壓原理)知，當圓角式高壓頂砧底部帶倒角的柱體底面積遠大于頂部圓臺或棱臺面積，并以頂部圓臺或棱臺為對應面進行對置，其底部帶倒角的柱體底面積同時受到軸向推進力時，頂部圓臺或棱臺面將擠壓傳壓介質，并在高壓腔體內產生超高壓力。高壓頂砧的級數越高，高壓腔體可獲得的極限壓力值越高。多級圓角式高壓頂砧的多級臺式結構頂面為平面或曲面。當臺式結構頂面為凹面結構時，其能夠增加高壓腔體體積；當臺式結構頂面為凸面結構時，其能夠進一步增加腔體可獲得的極限腔體壓力。多級圓角式高壓頂砧的底部帶倒角的柱體為圓柱體或棱柱體。通過采用棱柱體對圓柱體的替換，能夠降低高壓頂砧的重量，從而實現成本的降低，一定程度上解決其價格昂貴的問題，促進高壓裝置在各領域的更廣泛使用。當多級圓角式高壓頂砧的頂部帶圓角的多級臺式結構采用雙圓角二級圓臺式結構時， 其一級圓臺4和二級圓臺3的側面與頂面分別通過二級圓角2和一級圓角1過渡，一級圓臺4和二級圓臺3為一體結構，底部為帶倒角的圓柱體底部5。當然，在一級圓臺4和二級圓臺3之間通過用二-一級圓臺式臺面過渡圓角6過渡可構成三圓角二級圓臺式結構。當多級圓角式高壓頂砧的頂部帶圓角的多級臺式結構采用砧面縮減的三級棱臺式結構時，其三級棱臺7和二級棱臺8的側面與頂面分別通過一級圓角2和二級圓角1過渡，一級棱臺 9的側面為與底部過渡的對稱大斜面，一級棱臺9、二級棱臺8和三級棱臺7為一體結構，底
5部為帶倒角的圓柱體底部5。當然，可以在二級棱臺8和三級棱臺7之間通過三-二級棱臺式臺面過渡圓角10過渡，或在一級棱臺9和二級棱臺8之間通過二 - 一級棱臺式臺面過渡圓角11過渡從而構成三圓角三級棱臺式結構。也可以在一級棱臺9、二級棱臺8和三級棱臺7之間通過二 - 一級棱臺式臺面過渡圓角11和三-二級棱臺式臺面過渡圓角10過渡構成四圓角三級棱臺式結構。圖1是雙圓角二級圓臺式高壓頂砧，其中，圖1(a)是三維視圖，圖1(b)是剖視圖。 雙圓角二級圓臺式高壓頂砧頂部為帶圓角的二級圓臺結構，其一級圓臺4和二級圓臺3的側面與頂面分別通過二級圓角2和一級圓角1過渡，一級圓臺4和二級圓臺3為一體結構， 底部為帶倒角的圓柱體底部5。雙圓角二級圓臺式高壓頂砧打破傳統頂砧的拐角及一級平臺設計結構，基于彈性理論，通過采用一級圓角1和二級圓角2替代傳統頂砧的拐角，降低頂砧應力集中效應，從而提升高壓頂砧的使用壽命。此外，基于高壓頂砧設計原理——大質量支撐原理(面積比增壓原理)，通過在一級圓臺4的圓臺平面上添加二級圓臺3，并采用一體式二級臺式結構，不僅能夠提高高壓裝置的腔體壓力，從而獲得幾十萬至百萬個大氣壓的腔體壓力，而且操作比較簡單，能夠降低高壓裝置“調平”和“對中”等工作量大的問題。圖2是三圓角二級圓臺式高壓頂砧，其中，圖2(a)是三維視圖，圖2(b)是剖視圖。 三圓角二級圓臺式高壓頂砧基于雙圓角二級圓臺式結構，在一級圓臺4和二級圓臺3之間通過用二 - 一級圓臺式臺面過渡圓角6過渡，從而構成三圓角二級圓臺式結構。三圓角二級圓臺式高壓頂砧通過二-一級圓臺式臺面過渡圓角6的添加，能夠進一步降低頂砧應力集中效應，從而進一步增加高壓頂砧的使用壽命。此外，由高壓頂砧設計原理——側向支撐原理知，二-一級圓臺式臺面過渡圓角6的添加，能夠增加二級圓臺3的側向支撐面積，從而提高側向支撐力，增加高壓頂砧可獲得的極限腔體壓力值。雙圓角二級圓臺式高壓頂砧和三圓角二級圓臺式高壓頂砧可以使用在對頂砧和兩面頂等高壓裝置，其材料可以為鋼材質、硬質合金、金剛石燒結體、立方氮化硼燒結體或天然金剛石等高硬度材料。高壓頂砧材質硬度越高，高壓腔體可獲得的極限壓力值越高。當然，帶圓角的圓臺式高壓頂砧的圓臺可以為一級，也可以為多級，高壓頂砧的級數越高，高壓頂砧面積越小，其高壓腔體可獲得的極限壓力值越高。圖3是雙圓角三級棱臺式高壓頂砧，其中，圖3(a)是三維視圖，圖3(b)是剖視圖。 雙圓角三級棱臺式高壓頂砧頂部采用砧面縮減的三級棱臺式結構，其三級棱臺7和二級棱臺8的側面與頂面分別通過一級圓角2和二級圓角1過渡，一級棱臺9的側面為與底部過渡的對稱大斜面，一級棱臺9、二級棱臺8和三級棱臺7為一體結構，底部為帶倒角的圓柱體底部5。當然可以在二級棱臺8和三級棱臺7之間通過三-二級棱臺式臺面過渡圓角10 過渡，或在一級棱臺9和二級棱臺8之間通過二-一級棱臺式臺面過渡圓角11過渡從而構成三圓角三級棱臺式結構。雙圓角三級棱臺式高壓頂砧分別采用一級棱臺9、二級棱臺8和三級棱臺7實現棱臺頂面積的縮減，從而依據高壓頂砧設計原理——大質量支撐原理(面積比增壓原理)實現高壓腔體壓力的增加；通過采用一級圓角1和二級圓角2替代傳統頂砧的拐角，從而降低頂砧應力集中效應，提升高壓頂砧的使用壽命。雙圓角三級棱臺式高壓頂砧的頂面為正方形，可以擠壓六面體腔體，使用在六面頂高壓裝置上。當然，雙圓角三級棱臺式高壓頂砧的頂面也可以為三角形，可以擠壓四面體腔體，使用在四面頂高壓裝置上。圖4是四圓角三級棱臺式高壓頂砧，其中，圖4(a)是三維視圖，圖4(b)是剖視圖。四圓角三級棱臺式高壓頂砧在一級棱臺9、二級棱臺8和三級棱臺7之間通過二-一級棱臺式臺面過渡圓角11和三-二級棱臺式臺面過渡圓角10過渡構成四圓角三級棱臺式結構。 通過三-二級棱臺式臺面過渡圓角10和二-一級棱臺式臺面過渡圓角11的添加，能夠進一步降低頂砧應力集中效應，從而進一步增加高壓頂砧的使用壽命。此外，由高壓頂砧設計原理——側向支撐原理知，三-二級棱臺式臺面過渡圓角10的添加，能夠增加三級棱臺7 的側向支撐面積，從而提高側向支撐力，增加高壓頂砧可獲得的極限腔體壓力值。圖5是雙圓角二級凹臺頂面高壓頂砧，其中，圖5(a)是三維視圖，圖5(b)是剖視圖。雙圓角二級凹臺頂面高壓頂砧通過采用二級凹臺頂面12對傳統頂砧平面進行替代；當臺式結構頂面為凹面結構時，其能夠增加高壓腔體體積。圖6是雙圓角二級凸臺頂面高壓頂砧，其中，圖6(a)是三維視圖，圖6(b)是剖視圖。雙圓角二級凸臺頂面高壓頂砧通過采用二級凸臺頂面13對傳統頂砧平面進行替代。當臺式結構頂面為凸面結構時，其能夠進一步增加腔體可過的的極限腔體壓力。圖7是雙圓角三級棱柱體底部高壓頂砧。雙圓角三級棱柱體底部高壓頂砧通過采用棱柱體底部14對傳統頂砧圓柱體底部5的替換，能夠降低高壓頂砧的重量，從而實現成本的降低，一定程度上解決其價格昂貴的問題，促進高壓裝置在各領域的更廣泛使用。
權利要求
1.一種多級圓角式高壓頂砧，其特征在于，頂部為帶圓角的多級臺式結構，底部為帶倒角的柱體，頂部和底部之間由對稱的曲面或扇形斜面過渡；所述的高壓頂砧材質為鋼材質、 硬質合金、金剛石燒結體、立方氮化硼燒結體或天然金剛石等高硬度材料。
2.根據權利要求1所述的多級圓角式高壓頂砧，其特征在于，所述頂部的帶圓角的多級臺式結構為帶圓角的多級圓臺式結構或帶圓角的多級棱臺式結構。
3.根據權利要求1所述的多級圓角式高壓頂砧，其特征在于，所述的多級臺式結構頂面為平面或曲面。
4.根據權利要求3所述的多級圓角式高壓頂砧，其特征在于，所述曲面為凸面或凹面。
5.根據權利要求1所述的多級圓角式高壓頂砧，其特征在于，所述底部帶倒角的柱體為圓柱體或棱柱體。
6.根據權利要求1、2、3或5所述的多級圓角式高壓頂砧，其特征在于，所述頂部帶圓角的多級臺式結構采用雙圓角二級圓臺式結構，所述雙圓角二級圓臺式結構的一級圓臺(4) 和二級圓臺( 的側面與頂面分別通過二級圓角( 和一級圓角(1)過渡，一級圓臺(4) 和二級圓臺(3)為一體結構，底部為帶倒角的圓柱體底部(5)。
7.根據權利要求6所述的多級圓角式高壓頂砧，其特征在于，在一級圓臺(4)和二級圓臺(3)之間通過用二-一級圓臺式臺面過渡圓角(6)過渡構成三圓角二級圓臺式結構。
8.根據權利要求1、2、3或5所述的多級圓角式高壓頂砧，其特征在于，所述頂部帶圓角的多級臺式結構采用砧面縮減的三級棱臺式結構，所述雙圓角三級棱臺式結構的三級棱臺(7)和二級棱臺(8)的側面與頂面分別通過一級圓角( 和二級圓角(1)過渡，一級棱臺 (9)的側面為與底部過渡的對稱大斜面，所述一級棱臺(9)、二級棱臺(8)和三級棱臺(7) 為一體結構，底部為帶倒角的圓柱體底部(5)。
9.根據權利要求8所述的多級圓角式高壓頂砧，其特征在于，在二級棱臺(8)和三級棱臺(7)之間通過三-二級棱臺式臺面過渡圓角(10)過渡，或在一級棱臺(9)和二級棱臺(8)之間通過二-一級棱臺式臺面過渡圓角(11)過渡構成三圓角三級棱臺式結構。
10.根據權利要求8所述的多級圓角式高壓頂砧，其特征在于，在一級棱臺(9)、二級棱臺(8)和三級棱臺(7)之間通過二-一級棱臺式臺面過渡圓角(11)和三-二級棱臺式臺面過渡圓角(10)過渡構成四圓角三級棱臺式結構。
全文摘要
本發明公開了一種多級圓角式高壓頂砧，涉及探索金剛石、立方氮化硼及其制品等新型超硬材料和“常壓”下無法制備的新材料的合成制備工具，屬于超高壓技術領域。多級圓角式高壓頂砧頂部為帶圓角的多級臺式結構，底部為帶倒角的柱體，頂部和底部之間由對稱的曲面或扇形斜面過渡；所述的高壓頂砧材質為鋼材質、硬質合金、金剛石燒結體、立方氮化硼燒結體或天然金剛石等高硬度材料。本發明解決了傳統頂砧的拐角及一級平臺設計結構弊端，能夠降低頂砧應力集中效應、提高頂砧使用壽命，并獲得幾十萬至百萬個大氣壓的腔體壓力，可廣泛應用于對頂砧裝置和多面頂高壓裝置及多級增壓裝置，滿足高壓物理學及高壓生物學對高溫高壓下物質體系研究需求。
文檔編號B01J3/06GK102527296SQ20121000278
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者李明哲, 薛鵬飛, 賈曉鵬, 韓奇鋼, 馬紅安 申請人:吉林大學