高壓試驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)講義

1、高壓物理實(shí)驗(yàn)根底及水的相變?cè)谧匀唤缰?，壓力、溫度、化學(xué)組分是對(duì)物質(zhì)構(gòu)造和性質(zhì)有普遍影響的三個(gè)重要變量。高壓物理學(xué)是研究物質(zhì)在高壓力作用下物理行為的學(xué)科，是以材料科、地球科學(xué)以及行星等學(xué)科為背景開展起來的。高壓物理的研究領(lǐng)域幾乎包含凝聚態(tài)物理學(xué)的全局部支。要獲得高壓下物質(zhì)的行為信息，必須具備特殊精巧及專門的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法，這是高壓物理作為一門學(xué)科的另一個(gè)原因。隨著高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的快速開展，高壓物理學(xué)得到了迅速開展。高壓研究可以發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的一些常壓下不能表現(xiàn)出來的新現(xiàn)象，進(jìn)而提醒新規(guī)律、新性能，乃至發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)，為研究物質(zhì)性質(zhì)和壓力效應(yīng)提供了新的途徑；高壓可以改變物質(zhì)中原有電子的關(guān)聯(lián)作用及電子與晶格

2、的互相作用；壓力可以改變過渡金屬與稀土離子的配位場(chǎng)，使之出現(xiàn)發(fā)射光譜的頻率挪動(dòng)，反映壓力對(duì)這些離子的電子能級(jí)的調(diào)諧作用；壓力可以使分子晶體、離子晶體、共價(jià)晶體中的某些電子由局域化變?yōu)楣灿谢?，使之成為?dǎo)體；一些物質(zhì)在高壓下可以變成非晶，這種變化可以通過原子和分子集團(tuán)的取向無序化而實(shí)現(xiàn)；壓力還可以有效地改變物質(zhì)中原子的電子自旋排列，使一些物質(zhì)出現(xiàn)了鐵磁反鐵磁順磁相變，鐵電相變、鐵彈相變等等。高壓所引發(fā)的眾多常壓下難以觀察到的新奇的物理現(xiàn)象，對(duì)于豐富和開展凝聚態(tài)理論具有重要的意義；高壓下物質(zhì)所呈現(xiàn)出的眾多的新構(gòu)造和新性質(zhì)，是發(fā)現(xiàn)和截獲具有新穎性質(zhì)的新型材料的重要源泉。因此， 高壓物理是以材料科學(xué)、地

3、球物理學(xué)以及天文學(xué)的需要為背景開展起來的一門意義重大的物理學(xué)分支，是人類認(rèn)識(shí)自然、開啟宇宙之門的鑰匙。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?理解高壓實(shí)驗(yàn)根本裝置及其工作原理，掌握其組裝及調(diào)試方法； 掌握壓力標(biāo)定的根本方法，利用壓機(jī)測(cè)量水在高壓下的構(gòu)造相變，利用紅寶石標(biāo)壓法獲得水的相變壓力。二、實(shí)驗(yàn)原理1、壓力的單位及分類壓力在生活中非常常見，如：人類生活在大氣層里，感受到的是空氣的壓力；釘子之所以可以釘進(jìn)木板，是因?yàn)樵卺敿膺@個(gè)很小的面積上可以產(chǎn)生極高的壓力；炸彈爆炸時(shí)，周圍石塊受到強(qiáng)氣流沖擊，在高的壓力作用下飛出。描繪壓力效應(yīng)的物理量是壓強(qiáng)，定義為垂直作用于單位面積上的力。壓強(qiáng)的國際單位為 Pa,定義為每平方米作用一

4、個(gè)牛頓的力，1Pa=1N/m2。大氣壓強(qiáng)，定義為0c下密度為13.5951 g/cm32的重力場(chǎng)中作用于底部單位面積上的力，稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，記作atm。在絕對(duì)單位制中【以長度單位厘米，代號(hào)為cm、質(zhì)量單位克，代號(hào)為 g、時(shí)間單位為秒，代號(hào)為 s為根本單位】，以作用于1cm2面積上1dyn10-5N的力作為 壓力單位，稱作bargeo由于該單位太小，常用 106dyn/cm2作為壓力單位，稱為 bar。1GPa=109Pa=104bar=10Kbar=0.9869 104atm V04atm我們常說的到達(dá)百萬大氣壓指106atm 和 100GPa 的量級(jí)，而bar 和 atm 之間誤差不大，所以

5、大局部時(shí)候把大氣壓和bar 近似為一個(gè)量級(jí)的單位，我們高壓實(shí)驗(yàn)常用的單位是GPa。按照壓力的產(chǎn)生原理、存在時(shí)間的長短等將高壓分為靜高壓和動(dòng)高壓兩類。靜高壓：活塞圓筒、金剛石壓機(jī)、水壓油壓，以及地球、太陽、白矮星、中子星等天體內(nèi)部。壓力穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間長。幾十 GPa最高為幾百GPa,壓力和溫度可控動(dòng)高壓：炮彈、原子彈、氫彈等爆炸，撞擊過程產(chǎn)生的高壓，持續(xù)時(shí)間短，往往只有微秒3，10-6s數(shù)量級(jí)，而且壓力隨時(shí)間發(fā)生變化。一般幾百GPa,甚至幾千GPa,本錢低，伴隨溫度上升。2、高壓科學(xué)的開展高壓物理的開展已有二百多年的歷史，早在1762 年， Canton 就進(jìn)展了對(duì)水的壓縮性實(shí)驗(yàn)； 直到十九世紀(jì)

6、末，高壓實(shí)驗(yàn)根本上僅限于對(duì)液態(tài)壓縮性觀察；到了二十世紀(jì)初，Tammann利用體積隨壓力變化的不連續(xù)現(xiàn)象來測(cè)定固體的熔點(diǎn)與相變，創(chuàng)始了高壓相變的研究；但這些研究一直是在5GPa 以下的壓力范圍內(nèi)進(jìn)展的，屬于高壓物理研究的初始階段。到了20世紀(jì) 30 年代，美國哈佛大學(xué)的P. W. Bridgman 教授設(shè)計(jì)了Bridgeman 對(duì)頂壓砧，使壓力可以到達(dá)10 GPa， 奠定了高壓物理的根底。20 世紀(jì) 40 年代末，湯定元設(shè)計(jì)了用一對(duì)燒結(jié)金剛石做壓砧產(chǎn)生高壓的現(xiàn)代金剛石壓砧的雛形，并首次發(fā)現(xiàn)了金屬鈰的壓致電子相變。1959年，美國人Jamieson、 Lawson、 Nachtrieb 和 Wie

7、r 開發(fā)了新型對(duì)頂砧裝置，采用單晶金剛石做為壓砧，并利用它進(jìn)展了原位的高壓X 射線衍射及紅外光譜實(shí)驗(yàn)。自此，金剛石壓機(jī)成為進(jìn)展高壓實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)有力工具。隨著 1965 年金屬密封材料技術(shù)的引進(jìn)，以及 1973 年紅寶石壓標(biāo)的出現(xiàn)，金剛石壓機(jī)成為高壓研究中最流行的裝置，它的創(chuàng)造也促進(jìn)了高壓科學(xué)研究的快速開展。近年來，人們不斷對(duì)高壓裝置進(jìn)展改良、晉級(jí)。 現(xiàn)如今，靜態(tài)高壓技術(shù)已打破500 GPa，靜態(tài)溫度到達(dá)6000 K 以上?；诘叵潞吮?、電炮、磁通壓縮和軌道炮等動(dòng)態(tài)高壓新技術(shù)的開展，動(dòng)態(tài)高壓目前已經(jīng)可以到達(dá)數(shù)千GPa。3、大質(zhì)量支撐原理在大物體的小面積上產(chǎn)生高壓，由于周圍材料的支撐作用，物體可承受比

8、其壓縮彈性極限大的應(yīng)力，這就是大質(zhì)量支撐原理。大質(zhì)量支撐原理對(duì)產(chǎn)生高壓是至關(guān)重要。理想情況下，只采用大質(zhì)量支撐原理所產(chǎn)生的壓力能到達(dá)材料壓縮強(qiáng)度的3.57倍左右，假如采用一些其他技術(shù)，如通過壓砧與外部箍環(huán)的過盈配合產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，可到達(dá)更高的壓力。 三、實(shí)驗(yàn)裝置 1、壓砧的選擇和砧面設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)所需壓力的大小可選用不同材料的壓砧。如：白寶石、高強(qiáng)度鋼、WC硬質(zhì)合金、立方氮化硼、多晶金剛石燒結(jié)體、單晶金剛石、鉆石等等。其中單晶金剛石 是最常用的壓砧材料。 金剛石壓砧分為I型和n型。I型金剛石中氮雜質(zhì)含量較高，呈淡黃色，n型金剛石中氮雜質(zhì)含量較低，純的金剛石為na型，呈無色透明狀。常用的標(biāo)準(zhǔn)金

9、剛石砧面都是16邊，高度約為2.0-2.6毫米，底面直徑一般大于 3毫米。上砧面根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)極限壓力需要可以設(shè)計(jì)為50-1000微米。為了獲得更高的壓力，上砧面還可以設(shè)計(jì)成倒角型或者二次倒角型，如圖1。本實(shí)驗(yàn)中所使用的是白寶石壓砧，上砧面直徑600微米，無倒角。白寶石硬度雖然比金剛石差，但價(jià)格卻低很多，在近代物理實(shí)驗(yàn)中是 性能良好的金剛石壓砧的替代品。圖1金剛石砧面的設(shè)計(jì)。2、金剛石對(duì)頂砧裝置 Diamond Anvil Cell, DAC 金剛石對(duì)頂砧的工作原理如圖2所示，樣品、標(biāo)壓物質(zhì)和傳壓介質(zhì)一起填充在金屬封墊的樣品腔內(nèi)，墊片被放在兩個(gè)平行相對(duì)放置的金剛石壓砧之間，通過擠壓金剛石從而在樣

10、品腔中產(chǎn)生壓力。由于采用大質(zhì)量支撐原理，并且金剛石的砧面很小，很容易在樣品腔內(nèi)產(chǎn)生 很高的壓力。(I)外加壓力上知Hi 凸1需用穹 由卜金匍打 由埴克的樣出圖2 DAC局壓廠生裝置示意圖及實(shí)物圖。圖3.四柱式DAC和對(duì)稱式 DAC。金剛石對(duì)頂砧裝置的種類很多， 我們實(shí)驗(yàn)室所采用的是如圖 3所示的四柱型壓機(jī)和對(duì)稱型壓機(jī)。3、墊塊的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中，金剛石受到很大的力， 與其底面接觸的材料也處于高的應(yīng)力狀態(tài)， 需要具 有很高的強(qiáng)度。金剛石一般不直接安裝在高壓裝置上， 而是安裝在墊塊上。墊塊中心開有錐 形孔，以便對(duì)樣品腔內(nèi)樣品進(jìn)展測(cè)試， 圖4為墊塊與金剛石組裝的示意圖。 常用作墊塊的材 料有WC、皺銅

11、、硬質(zhì)合金和立方氮化硼等。圖4墊塊與金剛石組裝的示意圖。4、密封材料早期的DAC裝置之間沒有密封墊， 而是直接把樣品放在兩個(gè)壓砧之間。當(dāng)樣品受壓時(shí)，將會(huì)自然會(huì)被向外擠壓。 當(dāng)樣品被擠壓到一定程度后， 由于摩擦力的作用而停頓挪動(dòng)， 這時(shí) 樣品自身便起到了密封的作用， 這時(shí)樣品中心壓力最高， 而周圍的壓力梯度很大。 當(dāng)升高到30 GPa左右時(shí)，金剛石很容易破裂。密封墊的使用，大大的改善了樣品腔內(nèi)的壓力梯度問題，密封墊為一個(gè)帶有小孔的金屬墊片，把它放在金剛石壓砧之間；壓縮封墊中的壓力梯度與材料的抗剪切強(qiáng)度成正比，與密封墊的的厚度成反比；由于高抗剪切強(qiáng)度與高壓縮率兩個(gè)條件是互相矛盾的，不可以同時(shí)滿足，

12、因此只能在兩者之間取折衷，金屬墊片主要使用銅片、T301鋼片和銖片等5。密封墊片具有兩種作用，一是在樣品腔內(nèi)放入傳壓介質(zhì)，使得壓腔內(nèi)可以產(chǎn)生非常好的靜水壓，二是金屬墊片在受壓過程中可以在金剛石周圍產(chǎn)生環(huán)形山狀的突起局部，這可以對(duì)金剛石起到一種側(cè)向支撐的作用。5、傳壓介質(zhì)利用壓砧直接擠壓被研究的材料可以產(chǎn)生高壓，但是這個(gè)壓力是不均勻的。為了最大限度的維持樣品腔中的靜水壓性，通常在樣品腔中充入傳壓介質(zhì)，其作用就是把施加于壓砧的 軸向壓力轉(zhuǎn)變成均勻的壓力作用到樣品上，即轉(zhuǎn)變成靜水壓力。從傳遞靜水壓力的才能看， 氣態(tài)傳壓介質(zhì)最好，液態(tài)次之，固態(tài)傳壓介質(zhì)最差。由于本實(shí)驗(yàn)樣品水本身是液體，所以不 用參加其

13、它傳壓介質(zhì)。6、超高壓力的標(biāo)定金剛石壓腔那么由于其樣品腔極小，難以采用常規(guī)的方法確定壓腔的壓力，因此如何進(jìn)展金剛石壓腔的壓力標(biāo)定，是獲得可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵問題。目前標(biāo)定高壓的方法有三種： 固定點(diǎn)壓力定標(biāo)、狀態(tài)方程測(cè)壓和紅寶石壓標(biāo)。利用紅寶石標(biāo)定壓力具有誤差小、壓力標(biāo)定范圍大、測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最廣泛的壓標(biāo)材料。采用紅寶石作為壓標(biāo)材料是根據(jù)紅寶石Ri熒光線隨壓力的變化關(guān)系。激光照射在紅寶石上時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩條較強(qiáng)的 R熒光線，常壓下他們的波長分別為 Ri=694.24 nm和R2=692.7 nm。 在壓力作用下，兩條熒光線會(huì)發(fā)生紅移，因此利用壓力與Ri熒光線紅移量的關(guān)系我們就可., 一，1904

14、以標(biāo)定壓力，關(guān)系式如下：P己9047.6657. 665-11 ,其中 =694.24 nm, 說0紅移量。本實(shí)驗(yàn)中也采用紅寶石作為壓標(biāo)物質(zhì)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、清潔白寶石和墊塊：先將白寶石置于酒精和丙酮的混合液中浸泡3分鐘，然后在顯微鏡下用酒精棉仔細(xì)擦拭白寶石下砧面， 到達(dá)干凈、無雜物的標(biāo)準(zhǔn)。使用酒精棉仔細(xì)擦拭墊塊上外表，直到上外表沒有任何污漬和雜質(zhì)。2、組裝白寶石和墊塊：先將墊塊放置于工裝內(nèi)，再將擦拭好的白寶石放置于墊塊上外表中央位置，利用工裝將白寶石固定在墊塊上，在顯微鏡下調(diào)節(jié)白寶石和墊塊的橫向位置，使白寶石上砧面與墊塊小孔二者的中心重合。然后將AB膠按照1:1的比例混合，涂于白寶石壓砧周圍

15、，等膠凝固即可。按照上述步驟組裝另一顆白寶石與墊塊。3、壓砧的對(duì)中與調(diào)平：對(duì)中：將組裝好的白寶石與墊塊固定于壓機(jī)內(nèi)，調(diào)整兩顆白寶石上砧面至完全同心。調(diào)平：緩慢推進(jìn)壓機(jī)，使兩顆白寶石輕輕觸碰，利用等厚干預(yù)原理，在顯微鏡下觀察是否有干預(yù)條紋的出現(xiàn)，如下圖，兩顆白寶石之間的偏斜角越大，干預(yù)條紋越密越細(xì)，假如干預(yù)條紋完全消失，那么說明兩顆白寶石完全重合平行。嚴(yán)格制止兩顆白寶石直接碰撞。裝配精度檢查圖5白寶石調(diào)平示意圖及實(shí)物圖4、預(yù)壓金屬墊片并制作樣品腔：將銅墊片置于兩顆白寶石中間，將300微米厚的墊片預(yù)壓到80微米厚。在壓痕中心位置鉆一個(gè)直徑 200微米的孔?？墒止ゃ@，也可利用火花打孔機(jī)打孔圖6a金剛石與墊片形成樣品室示意圖b金屬墊片實(shí)物圖5、墊片復(fù)位：將制作好的墊片放置于兩顆白寶石中間，調(diào)整其位置，使墊片的壓痕與白寶 石砧面完全復(fù)合。6、填裝紅寶石和樣品：選取一顆適宜的紅寶石，用細(xì)針將其挑至樣品腔中央位置。本實(shí)驗(yàn)選取水作為樣品，用注射器將水