靜態(tài)高壓技術靜態(tài)高壓技術介紹

靜態(tài)高壓技術是產生、維持和測量靜態(tài)高壓的技術。靜態(tài)高壓是指可以相對長期維持的高壓強。所謂相對長期是指有足夠的時間，把壓縮功所產生的熱量通過熱傳導的方式與環(huán)境溫度平衡。因此靜態(tài)高壓是等溫壓縮過程。

在凝聚態(tài)物理中，針對不同的研究領域，又有各種特殊技術要求。例如在合成材料方面要求高溫高壓；在超導性方面要求低溫高壓；在磁學方面要求高壓容器可穿透磁場；在光學方面要求高壓容器對所研究的光波是“透明”的等等。然而在產生和維持壓力的方面都有以下幾個主要的普遍技術：

自增強效應在使用高強度金屬厚壁圓筒容器時，為了擴大容器承壓能力，可采用超壓條件下使壁層的某一區(qū)域A（通常是小于壁厚的1/3處）發(fā)生范性變形，而B區(qū)仍為彈性變形(圖1)。卸壓后,范性層A由于存在殘余變形而不能恢復原狀。彈性層B則可恢復原狀?？墒怯捎贏層殘余變形的障礙，使其只存在復原的趨勢。于是彈性層B就對范性層A產生了往里壓縮的趨勢，如同箍的作用。這就是通常所謂預應力狀態(tài)。當厚壁筒內壓力升高時,首先是克服范性層A所受的預應力,然后才使B區(qū)彈性變形。其結果就擴大了高壓容器的承壓范圍。這種容器一般在2GPa壓力范圍使用。多用于容器外徑受限制的情況下。如低溫高壓實驗裝置等。

靜態(tài)高壓技術預應力箍技術

預應力箍技術這是用一層或多層高強度鋼的外箍，強制箍緊高壓容器給以預應力的辦法。這可以擴大圓筒型高壓容器的承壓能力。根據工作情況又可分為固定箍緊式和同步箍緊式兩類。圖2的壓砧-壓缸型高壓裝置就是一種典型的固定箍緊式。硬質合金壓缸 B由D、E、F三層鋼箍預緊,構成環(huán)狀容器（亦稱帶狀容器或年輪容器）。它多用于高溫高壓實驗。最高壓力可達10GPa，溫度約1500℃。

圖3是同步箍緊式的活塞圓筒型高壓裝置。高強度圓筒鋼容器是由兩層鋼箍箍緊的。它們的預緊力隨著高壓腔壓力的升高同步增長。這樣，使高壓容器受力狀態(tài)更加合理。這種裝置可獲得較大的流體靜壓力空間。最高壓力可達4GPa左右?？捎糜陔妼W、熱學、聲學和力學等實驗。

靜態(tài)高壓技術大支座原理

大支座原理在圖 4布里奇曼對頂砧式高壓裝置中，毗鄰高壓區(qū)的壓砧頂端，局部壓應力很大。為使壓砧所受的壓應力逐漸減弱，采取金字塔形結構，加大后支承部分的截面積，使壓應力分散。這就是大支座的實質。有時為了加強壓砧后底座的支承能力，還用鋼箍施加預應力（圖4a）。

對頂砧高壓裝置的壓力空間非常微小，但壓力很高。若用硬質合金壓砧,可達15GPa。一般常用固體傳壓介質，在高壓腔里壓力分布很不均勻,中心高,邊沿低。為了擴大高壓腔體積和改善壓力均勻性，可把壓砧頂面改為凹球面狀；稱之為凹砧。凹砧裝置的壓力較低，可用于高溫高壓合成實驗。若采用金剛石做壓砧（圖4b），在鋼質封墊薄片的小孔中，裝入固體(粉末)、液體或氣體進行壓縮，目前最高壓力已達50GPa左右。若用無孔封墊進行壓縮,已獲得近200GPa的準靜水壓力。這種金剛石對頂砧超高壓裝置，可用于電阻、X射線和光學等實驗。

用四個以上的硬質合金壓砧向中心擠壓，圍成一定幾何形狀的高壓腔，構成多壓砧高壓裝置。這類裝置均以固體為傳壓介質,具有較大的高壓腔體,壓力對稱性較好。第一臺多壓砧裝置是1958年美國的四面頂壓機。圖5是1961年中國科學院物理研究所研制的四面頂壓機。分布在四面體頂端的四個油缸活塞，各自同步推進一個壓砧，擠壓葉蠟石固體傳壓介質。每個壓砧的頂面為等邊三角形，它們圍成一個小四面體高壓腔。以此類推，六壓砧裝置就是頂面為正方形的六個壓砧圍成一個小六面體高壓腔。多壓砧裝置還可以采用滑塊在斜滑面上沿一定角度滑移來驅動，以達到壓砧向心運動的效果。六壓砧裝置可以有四斜滑面型和三斜滑面型兩類，可統(tǒng)稱為斜滑面六壓砧高壓裝置，也可稱為緊裝六壓砧高壓裝置。

多壓砧裝置還可演變?yōu)榉指钋蜓b置、滑塊裝置等。總之它們都運用了大支座原理。

無支承面密封原理在圖6中F力推動活塞桿1,將力由上活塞頭通過軟封墊傳至下活塞頭壓縮液體產生壓力p。如果不考慮摩擦，那么壓力p等于力F除以活塞頭大端面積A。即

，而下活塞頂端頭部是無支承的,其面積為C。此處F力是由軟封墊環(huán)形面積B支承的。于是軟封墊所受的壓強為

因為Bp,這樣就阻止了液體往外泄漏。目前在高壓技術中廣泛運用無支承面密封原理。根據不同的工作壓力范圍和使用條件，密封墊材料可以選用橡膠、聚四氟乙烯、銅、鋼材等等。結構的形式也是多種多樣的。這種密封多用于液體和氣體介質的情況。

壓縮封墊密封法它普遍用于壓砧型(包括多壓砧)高壓裝置和壓砧－壓缸型高壓強裝置。對封墊的結構和材質作適當的選配，使封墊的壓縮比大于高壓腔傳壓介質的壓縮比，這樣就能使封墊的壓強大于高壓腔的壓強，以達到密封的效果。

傳壓介質它是傳遞壓強的媒介物質。根據不同的使用要求和壓力范圍，傳壓介質可以用氣體、液體或固體。對傳壓介質的共同要求是在使用的壓力范圍內必須是穩(wěn)定相和無化學腐蝕性。氣體和液體流動性好。這類傳壓介質，可以在高壓腔中獲得均勻的壓力。這種壓力稱之為流體靜水壓，簡稱靜水壓。①氣體介質流動性最好，通常又能承受高溫和低溫，又具備電絕緣性能。但氣體的壓縮率很大，因此產生高壓的技術與設備都比較復雜，危險性也大。常用的氣體介質有氮氣、氬氣和氦氣等化學性質穩(wěn)定的氣體。②液體介質的流動性和壓縮率都比較差。常用的液體介質有甘油、變壓器油、煤油、航空汽油、石油醚、戊烷與異戊烷混合液等等。液體介質的粘滯度隨壓力的升高而增大,以致固化。它們的使用壓強在4GPa以下。目前人們用甲醇和乙醇按體積比4∶1的混合液作為傳壓介質,在室溫下可達10GPa。高溫分解和低溫凝固，是液體介質的缺點。③固體介質是選用剪切強度低的固體。由于固體流動性很差。所以在高壓腔內不同位置的壓力是不一樣的，但分布起伏仍小于或遠小于總值。這種分布不均勻的壓力稱之為準靜水壓力。通常在高溫高壓條件下工作時，還要求固體傳壓介質具有熱穩(wěn)定性、絕熱和電絕緣等性能。常用的有葉蠟石、滑石、立方氮化硼等等。氯化銀在常溫下能獲得更加均勻的壓力。硼、氯化鈉、氫化鋰等是適于X 射線實驗中使用的固體傳壓介質。銦、鉛等可用于不要求電絕緣的實驗中作為傳壓介質。

高壓力測量高壓力測量可以分為直接測量和間接測量兩大類。直接測量又分為初級和次級兩種方法。

靜態(tài)高壓技術初級測壓法

活塞壓力計是一種高精度的初級測壓法。結構原理如圖7所示。截面積為S的活塞，直接與高壓液體傳壓介質接觸。在活塞上加砝碼F,并使活塞按一定的角速度旋轉。當整個體系處于平衡時，腔中的壓力p可由公式

求得。這里η是液體粘滯度、活塞所受的摩擦以及活塞與腔體的形變等因素的修正因子。目前這種壓力計最高測量壓力為2.5GPa左右。

靜態(tài)高壓技術次級測量法

次級測量法是運用材料的某些物理量隨壓力變化的特性，制造成特定的測壓元件，常用的有以下幾種：

① 壓力表。也稱彈簧管壓力表或波爾登管壓力表（圖8）。它是由一個預彎曲的金屬管和杠桿、齒輪、游絲等傳動零件以及指針、表盤等指示零件組成的。當壓力流體充入彈簧管時，彈簧管的曲率將在彈性范圍內發(fā)生變化。通過杠桿、齒輪等帶動指針，在預先刻度的表盤上指示出流體的壓力值。目前這種壓力計最高測量壓力為2.5GPa 左右。

② 錳鎳銅合金絲的電阻隨壓力的升高呈線性關系增大。用這種合金絲繞成無電感線圈經過處理并通過壓力校正，測定出電阻壓力系數，即成為一個錳銅絲電阻壓力計。只要測出其電阻值，便可得知壓力值。用這種壓力計測量液體介質的最高壓力已達5GPa左右。

③ 氯化鈉標壓劑。用于高壓下X 射線衍射或中子衍射實驗。通常在樣品中摻入適量的氯化鈉，測定其點陣參量，根據已知的狀態(tài)方程，擬出氯化鈉的體積與壓力的關系曲線,便可求出壓力。這種方法適于20GPa以下的壓力測量。

④ 含0.5%鉻離子的紅寶石微粒,用波長為4416┱的氦鎘激光激發(fā),可出現波長為6943┱的R1和6928┱的R2兩條熒光譜線。隨著壓力的升高它們都向著長波的方向移動稱之為紅移。 在20GPa壓力范圍內被認為是線性函數關系。R1線的斜率為

kbar/┱。在1Mbar(百萬巴)壓力范圍內壓力與R1線波長的關系如下式

式中λ0為常壓下R1線波長；Δλ為加壓后波長增量；a=19.04；b=5。

這是一種敏捷而精確的次級測壓法，被稱為紅寶石壓力計。它最適于透明的金剛石對頂砧超高壓裝置采用。目前最高使用壓力近2Mbar。

壓力標定某些物質在特定的壓力下發(fā)生相變時，它們的某些物理性質（例如：電、光、熱等等）會發(fā)生突變。利用這些特征作為相變壓力定點的標幟，來校正次級壓力計?；蛴糜陂g接測壓法，確定外加截荷與高壓腔里的壓力關系。以上這兩種用法均稱為壓力標定或稱壓力校正。

由于電阻是高壓下較容易測量的物理量，因此通常把相變時電阻變化較明顯的物質作為壓力標定樣品。隨著高壓研究的不斷深入，壓力標定的數據也逐漸精確。表列出美國國家標準局的一些數據。

溫度：1800℃

壓力：4G Pa

技術：靜態(tài)高壓技術

適用領域：需高溫高壓環(huán)境的研究領域

活塞圓筒裝置為研究者提供大腔體靜高壓樣品環(huán)境，溫度場均一穩(wěn)定，可以同時提供溫度達1800℃和壓力達4G Pa的實驗環(huán)境。

RTK活塞圓筒裝置采用了靜態(tài)高壓技術，核心部件采用高端精密制造而成。適用于實驗室需要高溫高壓環(huán)境并需精確控制高溫高壓條件的各項科學研究。

RTK活塞圓筒裝置分為各種系列，桌面型產品操作簡便，體型小巧，不占據實驗室空間。但不因體型小巧而缺失性能，其卓越的性能仍然得以體現。