基于PE 型壓機(jī)中子衍射高溫高壓組裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證*

江明全 李欣 房雷鳴 謝雷 陳喜平 胡啟威李強(qiáng) 李青澤1) 陳波 賀端威

1) (四川大學(xué)原子與分子物理研究所， 成都 610065)

2) (中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所， 中子物理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 綿陽(yáng) 621999)

3) (廣東正信硬質(zhì)材料技術(shù)研發(fā)有限公司， 河源 517000)

高溫高壓原位中子衍射探測(cè)手段對(duì)凝聚態(tài)物理、晶體化學(xué)、地球物理以及材料科學(xué)與工程等領(lǐng)域的研究均有重要的意義. 本文基于中國(guó)綿陽(yáng)研究堆(China Mianyang Research Reactor， CMRR)的高壓中子衍射譜儀(鳳凰)和1500 kN 的PE 型兩面頂壓機(jī)， 設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于高溫高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn)的組裝， 并利用中子衍射技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及溫度、壓力標(biāo)定. 通過(guò)對(duì)組裝在高溫高壓下的流變控制、絕熱絕緣性能提高、有效樣品體積最大化等方面的優(yōu)化， 獲得了11.4 GPa， 1773 K 高溫高壓條件下的中子衍射譜. 該組裝的成功研制使CMRR 高溫高壓中子衍射平臺(tái)的指標(biāo)得到明顯提升. 同時(shí)， 對(duì)進(jìn)一步提高PE 型兩面頂壓機(jī)高溫高壓加載條件、擴(kuò)展PE 型壓機(jī)在高溫高壓原位中子衍射領(lǐng)域的的應(yīng)用范圍， 具有重要的意義.

1 引 言

中子衍射技術(shù)是探究物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與性能的重要手段之一. 相比X 射線、光譜、電子散射與核磁共振等技術(shù)， 中子衍射技術(shù)主要有如下特點(diǎn)： 中子呈電中性， 主要與原子核相互作用， 具有很強(qiáng)的穿透性； 中子具有磁矩， 可以探測(cè)物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)； 中子的散射強(qiáng)度與被測(cè)量物質(zhì)的原子序數(shù)無(wú)關(guān)， 可精確確定輕元素以及同位素原子的位置等.在原位中子衍射實(shí)驗(yàn)中， 高溫高壓樣品環(huán)境的同步獲得， 將會(huì)進(jìn)一步發(fā)揮中子衍射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在能源、新材料、國(guó)防等領(lǐng)域的研究功效.

迄今為止， 世界上主要中子源上都建有高壓中子衍射平臺(tái)， 開(kāi)展了大量的高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn). 中子源分為散裂中子源和反應(yīng)堆中子源， 其中反應(yīng)堆中子源利用原子核裂變產(chǎn)生大量中子， 所得到的中子能量是連續(xù)分布的. 目前世界上主要的反應(yīng)堆中子源高壓中子衍射線站的基本情況如下： 法國(guó)ILL 反應(yīng)堆中子源上的高壓中子衍射裝置可以在常溫和低溫下開(kāi)展10 GPa 以下的高壓原位實(shí)驗(yàn)， 其樣品體積在10—30 mm3， Terada 等[1，2]利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)得了CuFeO2在4.0 GPa 壓力下的磁性能； 澳大利亞的OPAL 反應(yīng)堆中子源建設(shè)有兩個(gè)中子粉末衍射線站， 其中WOMBAT 線站安裝了巴黎-愛(ài)丁堡壓機(jī)(Paris-Edinburgh press)，其常溫下樣品體積為10—30 mm3時(shí)最高壓力可以達(dá)到10 GPa； 俄羅斯反應(yīng)研究堆源IBR—2 上的高壓中子衍射線站DN-12 壓力范圍為5—15 GPa，Aksenov 等[3]利用該平臺(tái)在中子輻照下測(cè)得了NH4I 常溫下4.1 GPa 的原位中子衍射譜. 此外， 中國(guó)綿陽(yáng)研究堆(China Mianyang Research Reactor，CMRR)上建有高壓中子衍射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 常溫下樣品體積為17 mm3時(shí)最高壓力可達(dá)29 GPa[4，5]，Chen 等[6]在該平臺(tái)上利用高壓結(jié)合中子衍射的方法， 原位測(cè)量了NaCl 水溶液在高壓下的溶解度.

反應(yīng)堆中子源外的另一種中子源是散裂中子源， 由高能質(zhì)子轟擊重元素靶核產(chǎn)生脈沖中子束，和時(shí)間飛行技術(shù)結(jié)合后， 具有高的能量分辨率， 并可使譜儀樣品處的中子通量比堆源高約一個(gè)數(shù)量級(jí). 目前， 世界上主要的散裂中子源高壓中子衍射線站基本情況如下： 美國(guó)Los Alamos 實(shí)驗(yàn)室較早在散裂中子源上進(jìn)行了高溫高壓原位中子散射平臺(tái)的搭建， 利用TAP—98 壓機(jī)樣品體積為50 mm3時(shí)可達(dá)到約10 GPa， 1500 K 的實(shí)驗(yàn)條件， Zhao等[7，8]利用該裝置獲得了Al 在5.7 GPa， 900 K 高溫高壓條件下的熱彈性和織構(gòu)行為； 此外， 美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源(SNS)也建有高壓衍射譜儀， 樣品環(huán)境壓力溫度同時(shí)可以達(dá)到6 GPa，1500 K， 常溫下樣品體積為0.15 mm3時(shí)壓力可達(dá)40 GPa， Calder 等[9-11]利用該衍射譜儀探索了7Li在7 GPa 壓力下的馬氏體轉(zhuǎn)變； 英國(guó)ISIS 散裂中子源的高溫高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用巴黎愛(ài)丁堡壓機(jī)可達(dá)到約10 GPa， 1400 K 的條件，Bull 等[12，13]利用該平臺(tái)測(cè)得了1 mm3體積的Fe在0—10 GPa， 300—1000 K 的衍射譜， 并修正Fe 的三相點(diǎn)為8.2 GPa， 740 K； 日本J-PARC 散裂中子源高壓中子線站， 采用六面頂壓機(jī)實(shí)現(xiàn)了高溫高壓的樣品環(huán)境， 該線站宣稱的溫度壓力條件可達(dá)12 GPa， 2000 K， 此時(shí)樣品體積可達(dá)50 mm3，Hattori 等[14-16]利用該平臺(tái)， 測(cè)得了硬柱石在4.6 GPa， 1073 K 溫壓條件下的中子衍射譜.

本研究基于CMRR 的高壓中子衍射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 使用平臺(tái)上載荷為1500 kN 的PE 型兩面頂壓機(jī)， 并采用單凹曲面碳化鎢(WC)壓砧、鈦鋯(TiZr)合金高壓密封墊、二氧化鋯(ZrO2)絕熱部件、葉臘石傳壓介質(zhì)和石墨加熱管等材料， 設(shè)計(jì)和優(yōu)化了一套用于產(chǎn)生高溫高壓樣品環(huán)境的實(shí)驗(yàn)組裝， 利用氧化鎂(MgO)樣品的原位中子衍射譜和狀態(tài)方程對(duì)組裝進(jìn)行了壓力溫度標(biāo)定. 整個(gè)組裝置入PE 型兩面頂壓機(jī)后， 由一套定位系統(tǒng)懸掛在衍射譜儀上， 可在三維方向上進(jìn)行樣品的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)定位[17]. 本研究組對(duì)高溫高壓條件下的原位中子衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析， 在加載為800 kN， 加熱功率輸入為530 W 時(shí)， 獲得了11.4 GPa， 1773 K的樣品環(huán)境條件.

2 裝置與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

CMRR 的高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由中子束聚焦與準(zhǔn)直系統(tǒng)、樣品定位系統(tǒng)、PE 型兩面頂壓機(jī)與樣品組裝系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組成(圖1). 從中子源導(dǎo)出的中子束截面尺寸是厘米量級(jí)的， 而高壓實(shí)驗(yàn)的樣品尺寸一般為毫米量級(jí). 為了在有限的時(shí)間收集到具有足夠強(qiáng)度的衍射譜， 使用橢圓形聚焦導(dǎo)管(583.5 cm， 帶有1—7 cm的可調(diào)節(jié)狹縫)和鍺單晶單色器對(duì)入射中子束進(jìn)行了聚焦與準(zhǔn)直[17，18]. 鍺單晶單色器的起飛角為93.8°，波長(zhǎng)為1.59?.本文實(shí)驗(yàn)使用的狹縫為7 cm， 樣品處的中子強(qiáng)度為2.84×106n/(cm2s).

樣品定位與補(bǔ)償系統(tǒng)主要是對(duì)初始樣品進(jìn)行定位， 在加壓后樣品位置發(fā)生移動(dòng)時(shí)進(jìn)行位移補(bǔ)償， 以確保中子束準(zhǔn)確地照射在樣品上， 從而獲得更好的樣品衍射信號(hào)和系統(tǒng)分辨率， 樣品定位精度為0.01 mm. 中子被樣品散射后通過(guò)70 支3He 管組成的中子探測(cè)器進(jìn)行收集， 并通過(guò)反應(yīng)堆大廳外的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)壓力、溫度和衍射譜采譜參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制. 實(shí)驗(yàn)采用單軸加壓的PE 型兩面頂壓機(jī)， 最大載荷為1500 kN， 同時(shí)該壓機(jī)配有1500 W 直流電加載裝置.

2.2 高溫高壓實(shí)驗(yàn)組裝

圖1 高溫高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1. Overall structure of high temperature and high pressure in-situ neutron diffraction experimental platform.

圖2 (a)單凹曲面壓砧； (b)實(shí)驗(yàn)前組裝元件實(shí)物圖 ①碳化鎢壓砧； ②鈦鋯合金； ③葉臘石環(huán)； ④氧化鋯環(huán)； ⑤樣品氧化鎂； ⑥石墨管； ⑦氧化鋯管； ⑧氧化鋯片； ⑨錸片； ⑩銅箔Fig. 2. (a) or ① Optical picture of the single toroidal tungsten carbide anvil； (b) pictures of the high-pressure and high-temperature cell assemblies： ② TiZr alloy gasket； ③ pyrophyllite ring； ④ ZrO2 ring； ⑤ sample of MgO； ⑥ graphite furnace； ⑦ ZrO2 tube； ⑧ ZrO2 disc； ⑨ Re foil； ⑩ Cu foil.

PE 型兩面頂壓機(jī)是在中子衍射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上常用的加載設(shè)備， 采用兩個(gè)相對(duì)的壓砧對(duì)組裝中的樣品施壓. 組裝內(nèi)置的石墨管通電后可對(duì)樣品進(jìn)行加熱， 通過(guò)調(diào)節(jié)輸入功率控制樣品腔溫度. 本文實(shí)驗(yàn)采用單凹曲面WC 壓砧， 高壓腔密封墊采用高強(qiáng)度TiZr 合 金(67.7 mol%Ti， 32.3 mol%Zr). 預(yù) 先加工兩片環(huán)形密封圈， 將其放置在壓砧凹曲面處，中間用高溫焙燒后的葉臘石環(huán)進(jìn)行絕緣. 石墨管和錸片作為組裝內(nèi)置加熱元件， 組成密閉的高溫加熱腔. 加熱腔周圍使用ZrO2作為絕熱材料和電絕緣材料. ZrO2在使用前經(jīng)過(guò)1500 ℃高溫煅燒1 h， 具有約2.2 GPa 的壓縮強(qiáng)度和2.5 W/mK 的熱導(dǎo)率.實(shí)驗(yàn)采用MgO 作為樣品， 利用國(guó)產(chǎn)鉸鏈?zhǔn)搅骓敶髩簷C(jī)進(jìn)行預(yù)壓處理， 然后加工成直徑為3.5 mm的圓柱體， 并在1200 ℃高溫下進(jìn)行脫水處理.

樣品、加熱管、密封墊等和壓砧共同組成高溫高壓組裝， 其形貌及組裝結(jié)構(gòu)如圖2 所示. 其中圖2(a)為單凹曲面WC 壓砧， 圖2(b)為實(shí)驗(yàn)前樣品及各組裝元件實(shí)物圖； 組裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 和圖4 所示.

2.3 高溫高壓組裝優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論分析

為了對(duì)整個(gè)高溫高壓加熱組裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先對(duì)整個(gè)組裝的不同區(qū)域在壓縮過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬分析. 將組裝分區(qū)標(biāo)記為Ⅰ， Ⅱ，Ⅲ三個(gè)區(qū)域， 壓砧的中心凹環(huán)深為1.5 mm， 壓縮前組裝如圖3(a)所示. 樣品腔Ⅰ區(qū)域高5.0 mm，體積為62.8 mm3； 密封墊Ⅱ區(qū)域高2.0 mm， 體積為100.5 mm3. 在不考慮壓砧形變的情況下， 當(dāng)加載力使密封墊厚度壓縮1.0 mm 后， 組裝如圖3(b)所示， 樣品腔Ⅰ區(qū)域體積為50.3 mm3， 密封墊Ⅱ區(qū)域體積亦為50.3 mm3. 假設(shè)暫不考慮密封墊和樣品的流變， 此時(shí)密封墊和樣品的平均壓力(應(yīng)力)由材料的壓縮性和壓縮比決定[4]， 即由物質(zhì)的狀態(tài)方程決定. 物質(zhì)的一階狀態(tài)方程如下：

圖3 模擬壓縮前后組裝示意圖 (a)壓縮前； (b)壓縮后Fig. 3. Assembly diagram before and after simulated compression： (a) Before compression； (b) after compression.

其中，P為壓力，B0是是對(duì)應(yīng)區(qū)域材料的體彈模量，是體弾模量一階導(dǎo)數(shù)，V0是初始體積，V是壓縮后的體積. 密封墊和樣品的體積壓縮比分別為50.0%和19.9%， 若密封墊和樣品的體彈模量接近， 那么密封墊的壓力增加將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣品腔， 這導(dǎo)致密封墊Ⅱ區(qū)域消耗大部分的加載， 樣品腔壓力發(fā)生效率降低， 并導(dǎo)致密封墊Ⅱ區(qū)域存在較大的壓應(yīng)力與剪切應(yīng)力， 容易使壓砧破裂， 從而樣品腔體壓力無(wú)法繼續(xù)提升.

為提高整個(gè)組裝的穩(wěn)定性、樣品腔體壓力發(fā)生效率和極限壓力， 對(duì)密封墊進(jìn)行了多次優(yōu)化設(shè)計(jì).組裝中對(duì)初始密封墊高度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整： 區(qū)域Ⅰ， Ⅱ的相對(duì)高度差以遞減方式設(shè)計(jì)， 壓縮前組裝樣品腔Ⅰ區(qū)域高為6 mm， 體積為75.4 mm3， 密封墊Ⅱ區(qū)域高2.5 mm， 體積為125.7 mm3. 當(dāng)加載力同樣使密封墊區(qū)域Ⅱ厚度壓縮1.0 mm， 此時(shí)樣品腔Ⅰ區(qū)域高4.5 mm， 體積為56.5 mm3， 密封墊Ⅱ區(qū)域高1.5 mm， 體積為75.4 mm3. 同樣假設(shè)不考慮密封墊和樣品的流變， 二者的體積壓縮比分別為40.0%和25.1%， 此時(shí)樣品腔的壓縮比明顯有所提高， 那么當(dāng)密封墊達(dá)到同樣壓縮比時(shí)樣品腔的壓力將比優(yōu)化前壓力明顯提高.

2.4 壓力溫度的原位中子衍射標(biāo)定方法

高壓實(shí)驗(yàn)中樣品腔的壓力和溫度可根據(jù)標(biāo)壓標(biāo)溫物質(zhì)的體積變化， 由其狀態(tài)方程計(jì)算得出. 標(biāo)壓標(biāo)溫物質(zhì)通常是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中子衍射信號(hào)較強(qiáng)、具有標(biāo)準(zhǔn)的高溫高壓狀態(tài)方程， 并且在高溫高壓下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的金屬、氧化物和鹽類物質(zhì). 本文實(shí)驗(yàn)采用MgO 作為高溫高壓中子衍射組裝樣品腔的壓力、溫度標(biāo)定物質(zhì). MgO 常作為傳壓介質(zhì)和壓力、溫度標(biāo)定物質(zhì)用于高溫高壓實(shí)驗(yàn)， 對(duì)其高溫高壓下的行為已有廣泛的研究. 研究者們利用靜高壓原位X 射線衍射、超聲和動(dòng)高壓等實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段， 得到了MgO 在常壓常溫至196 GPa， 3700 K 范圍內(nèi)的P-V-T數(shù)據(jù)[19，20]， 本研究體弾模量采用B0=160 GPa， 體弾模量一階導(dǎo)數(shù)， 常壓下熱膨脹系數(shù)α0=4.0×10?5K?1.

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了MgO 在不同壓力加載和加熱功率輸入條件下的原位中子衍射譜， 用PDIndexer程序?qū)Λ@得的中子衍射譜進(jìn)行擬合， 得到樣品MgO 在該壓力溫度環(huán)境下的晶胞參數(shù). 首先將常溫高壓下的晶胞體積代入三階Brich-Murnaghan狀態(tài)方程(1)[19]：

然后擬合得到樣品腔體的壓力.

進(jìn)一步地， 維持系統(tǒng)加載不變， 對(duì)樣品進(jìn)行加熱， 獲得特定加熱功率下的高溫高壓原位中子衍射譜， 利用MgO 的高溫高壓狀態(tài)方程(2)[21]：

擬合出此壓力下樣品腔內(nèi)溫度. 方程(2)和(3)中，P為樣品的壓力，V為所對(duì)應(yīng)加載及加熱功率下MgO 的晶胞體積，V0為MgO 在常溫常壓下的晶胞體積，B0為體弾模量，是體弾模量一階導(dǎo)數(shù)，α0為常壓下MgO 的熱膨脹系數(shù). 需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行壓力、溫度的同步標(biāo)定時(shí)， 沒(méi)有考慮加熱對(duì)樣品腔壓力的影響. 以往的實(shí)驗(yàn)表明， 由于高溫下組裝內(nèi)部物質(zhì)的體積膨脹， 在恒定加載力條件下，1000 K 的溫升可能會(huì)導(dǎo)致樣品腔3%左右的壓力升高[8]， 本文已將這個(gè)情況考慮到溫度的誤差之中.

2.5 高溫高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn)

圖4 優(yōu)化后壓砧和高溫高壓樣品組裝結(jié)構(gòu)的 (a)立體示意圖與(b)截面示意圖 ①碳化鎢壓砧； ②鈦鋯合金； ③葉臘石環(huán)；④氧化鋯環(huán)； ⑤樣品氧化鎂； ⑥石墨管； ⑦氧化鋯管； ⑧氧化鋯片； ⑨錸片； ⑩銅箔Fig. 4. Schematic diagram of (a)three dimensional and (b)sectional of the high pressure and high temperature cell assembly： ① single toroidal tungsten carbide anvil； ② TiZr alloy gasket； ③ pyrophyllite ring； ④ ZrO2 ring； ⑤ sample of MgO； ⑥ graphite furnace； ⑦ ZrO2 tube； ⑧ ZrO2 disc； ⑨ Re foil； ⑩ Cu foil.

高溫高壓組裝元件按圖4 所示裝配好后置入PE 型兩面頂壓機(jī)， 通過(guò)定位系統(tǒng)將樣品定位到中子入射束與譜儀的衍射幾何中心. 利用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行加壓、加溫和衍射譜采集， 系統(tǒng)加載和加熱功率輸入曲線如圖5 所示. 采集常溫高壓譜的系統(tǒng)加載力分別為0， 300， 500 以及800 kN， 實(shí)驗(yàn)中每個(gè)壓力點(diǎn)采譜時(shí)間為15 h. 隨后， 保持800 kN 系統(tǒng)加載力， 分別在加熱功率為200， 315， 530 W 下進(jìn)行高溫高壓原位中子衍射采譜， 對(duì)應(yīng)加熱電阻為15.1， 13.9， 12.7 mΩ， 電阻隨著加熱功率的增加而減小， 采譜時(shí)間為18 h.

圖5 系統(tǒng)加載力和加熱功率輸入曲線示意圖Fig. 5. Loading force and heating power input curves.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

3.1 高溫高壓原位中子衍射組裝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)組裝優(yōu)化方法及模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證， 本研究組做了大量實(shí)驗(yàn)， 下面選擇#1 和#2 兩種組裝進(jìn)行分析對(duì)比. 首先對(duì)加壓前后兩種組裝不同區(qū)域的密封墊和樣品腔厚度進(jìn)行測(cè)量， 結(jié)果如表1 所示. 在#1 組裝中， 密封墊Ⅰ和Ⅱ區(qū)域相對(duì)于壓砧閉合時(shí)砧面的初始高度差相同， 兩個(gè)區(qū)域在加壓前都和壓砧凹曲面完全接觸貼合， Ⅲ區(qū)與砧面存在很小的間隙(～0.1 mm). 加壓時(shí)由于Ⅰ和Ⅱ區(qū)域的ZrO2密封墊同時(shí)加載受力并受到壓砧擠壓，ZrO2密封墊向外發(fā)生流變， 其厚度隨著加載力的增大而降低. 當(dāng)密封墊區(qū)域Ⅲ的TiZr 合金環(huán)與壓砧表面接觸時(shí)， TiZr 合金將開(kāi)始提供側(cè)向支撐并阻止密封墊流變. 這時(shí)腔體壓力隨著加載力增加而增大， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示. 300 和500 kN 加載力下腔體壓力分別為2.0 和2.9 GPa， 800 kN 加載下壓砧出現(xiàn)破裂. 實(shí)驗(yàn)后分析發(fā)現(xiàn)， 由于ZrO2為脆性陶瓷， 隨著加載力的增加， 區(qū)域Ⅱ的ZrO2向外流變迅速變薄， 繼續(xù)提高加載時(shí)密封區(qū)域Ⅱ的壓力上升過(guò)快， 此時(shí)外部加載力集中消耗在密封墊區(qū)域Ⅱ上， 導(dǎo)致腔體壓力難以繼續(xù)提升， 且在該區(qū)域存在較大應(yīng)力導(dǎo)致壓砧破裂.

在#2 組裝中對(duì)初始密封墊高度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整， 區(qū)域Ⅰ， Ⅱ， Ⅲ的相對(duì)高度差以梯度遞減方式設(shè)計(jì)， 同樣對(duì)加壓前后不同區(qū)域的密封墊厚度進(jìn)行測(cè)量， 結(jié)果如表1 所示. 改進(jìn)后的組裝在300，500 和800 kN 加載下， 腔體壓力分別為2.8， 4.8，11.4 GPa. 由此可見(jiàn)， 相比于#1 組裝， 樣品腔壓力發(fā)生的效率和整個(gè)組裝所能承受的最大加載力都有明顯提升. 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知： 加壓過(guò)程中， 密封墊Ⅰ區(qū)域最先承受主要加載力， 發(fā)生部分流變， 并提高了該區(qū)域密實(shí)度； 繼續(xù)提高加載至一定程度時(shí)， 砧面與密封墊Ⅱ區(qū)域接觸， 此時(shí)， 密封墊Ⅱ區(qū)部分開(kāi)始承壓， 產(chǎn)生側(cè)向支撐和對(duì)樣品腔體的密封作用； 進(jìn)一步加壓， Ⅰ， Ⅱ部分的密封墊受軸向擠壓并朝徑向向外流變. 此后， 壓砧外凹環(huán)面將與密封墊Ⅲ區(qū)域TiZr 合金接觸， 而TiZr 合金的高強(qiáng)度與高韌性可以有效阻止整體組裝在水平方向的流變， 對(duì)密封墊Ⅰ， Ⅱ區(qū)域及樣品腔提供側(cè)向支撐. 因此， #2 組裝在加壓過(guò)程中， 密封墊各區(qū)域漸次承壓， 避免了應(yīng)力過(guò)度集中， 對(duì)其流變和軸向擠壓進(jìn)行了有效控制， 達(dá)到了明顯提高腔體壓力發(fā)生效率和極限壓力的設(shè)計(jì)效果， 與之前簡(jiǎn)化模擬計(jì)算結(jié)果相符. 此外， 高壓下#2 組裝密封墊Ⅰ和Ⅱ區(qū)域側(cè)向流變相對(duì)較少， 壓縮后期， 壓砧凸臺(tái)處密封墊厚度更大， 避免了上下壓砧的過(guò)度擠壓和樣品腔的過(guò)度形變， 使整個(gè)組裝可以在800 kN 甚至更高的加載力下穩(wěn)定運(yùn)行， 增加了組裝的穩(wěn)定性.因此， 為了提高PE 型兩面頂壓機(jī)高壓組裝的穩(wěn)定性和樣品腔壓力極限， 在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)， 需要平衡密封墊不同區(qū)域在加壓過(guò)程中的軸向擠壓和流變； 或采用更高強(qiáng)度的合金和陶瓷復(fù)合組裝及高硬度金剛石壓砧， 使其可以承受更高的系統(tǒng)加載力，并實(shí)現(xiàn)更高的壓力發(fā)生效率， 以達(dá)到更高的腔體壓力. 與此同時(shí)， 針對(duì)原位中子衍射實(shí)驗(yàn)， 還需要考慮如何盡量減少高溫高壓組裝所產(chǎn)生的衍射背底，以避免對(duì)樣品衍射峰的干擾.

表1 實(shí)驗(yàn)前后密封墊I， II， III 區(qū)域的厚度和不同加載力下對(duì)應(yīng)的樣品腔壓力Table 1. Thickness of gasket I， II， III zoom before and after compression， and cell pressures under different loading force.

表2 不同系統(tǒng)加載力及加熱輸入功率下對(duì)應(yīng)MgO 樣品的晶胞參數(shù)、樣品腔壓力與溫度Table 2. Cell parameters， pressure and temperature of MgO under different loading force and heating power.

3.2 常溫高壓原位中子衍射譜分析

常溫高壓原位中子衍射譜如圖6(a)所示， 分別在300， 500， 800 kN 系統(tǒng)加載力條件下獲得. 衍射譜中， 除樣品MgO 的衍射峰外， 還包含保溫絕緣材料ZrO2以及WC 壓砧等的中子衍射峰. 由于ZrO2， WC 等背底衍射峰與樣品MgO 的衍射峰沒(méi)有重疊， 故不影響對(duì)樣品衍射峰的分析. 隨著油壓加載的增加， 樣品MgO 的晶胞體積因壓縮而減小， 中子衍射峰位向高角度發(fā)生偏移， 即樣品腔內(nèi)壓力增加. 對(duì)衍射峰進(jìn)行擬合， 獲得MgO 在常溫高壓下的晶胞參數(shù)(表2). 代入(2)式中可得到不同加載力下的樣品腔體壓力， 對(duì)各加載力下的衍射數(shù)據(jù)擬合得了到如圖6(b)所示系統(tǒng)加載力與樣品腔壓力的關(guān)系曲線， 其中在800 kN 系統(tǒng)加載力下，樣品腔體壓力為(11.4 ± 0.9) GPa.

圖6 (a) 不同加載力下樣品MgO 的原位中子衍射譜； (b)樣品腔壓力-系統(tǒng)加載力關(guān)系曲線Fig. 6. (a) Neutron diffraction patterns under different loading force； (b) sample/cell pressures-loading force curve.

3.3 高溫高壓原位中子衍射譜分析

圖7 800 kN 加載下， 高溫高壓原位中子衍射譜與數(shù)據(jù)分析 (a)不同輸入功率下MgO 的中子衍射譜； (b)樣品腔溫度和加熱輸入功率關(guān)系曲線Fig. 7. High pressure and high temperature neutron diffraction patterns under 800 kN loading force and data analysis：(a) Neutron diffraction patterns of MgO at different heating power； (b) sample/cell temperature-heating power curve.

高溫高壓原位中子衍射譜如圖7(a)所示， 在保持800 kN 系統(tǒng)加載力條件下， 其加熱輸入功率分別為200， 315， 530 W. 從圖7(a)可以看出， 隨著加熱輸入功率的增加， 樣品衍射峰位向低角度方向偏移， MgO 的晶胞體積受熱膨脹增大. 使用PDIndexer 軟件擬合后， 可得到不同加熱功率下MgO 的晶胞參數(shù)(表2). 利用(3)式得到了不同加熱功率下的樣品腔溫度. 在530 W 的加熱功率下，樣品腔內(nèi)溫度為(1773 ± 117) K ， 擬合MgO 晶胞參數(shù)時(shí)和加熱對(duì)壓力帶來(lái)的誤差會(huì)引起一定的溫度誤差， 在800 kN 系統(tǒng)加載力(樣品腔壓力為11.4 GPa)下， 樣品腔溫度和加熱輸入功率的關(guān)系曲線如圖7(b)所示. 事實(shí)上， 在進(jìn)行高溫高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn)前， 已經(jīng)對(duì)不同加載壓力下的組裝進(jìn)行了離線的標(biāo)溫實(shí)驗(yàn). 通過(guò)在樣品腔中置入熱電偶直接測(cè)溫， 獲得了加熱功率與樣品腔溫度的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 由此得到的加熱功率與樣品腔溫度的關(guān)系與高溫高壓原位中子衍射的結(jié)果相符， 誤差在2%以內(nèi). 從圖7(a)可以看出， 從常溫常壓條件下樣品的衍射譜到800 kN 加載的衍射譜， 樣品衍射峰發(fā)生了寬化； 在對(duì)樣品加熱后， 其衍射譜寬度有所減小. 高壓下衍射峰的變寬主要是由于： 一方面， 在高壓下MgO 樣品中應(yīng)力分布不均勻， 導(dǎo)致中心部分樣品晶胞體積壓縮大， 而邊緣部分晶胞體積壓縮小， 從而引起衍射譜寬化； 另一方面， 處于非靜水壓環(huán)境中的樣品內(nèi)部晶粒間會(huì)因相互擠壓而在接觸處產(chǎn)生微區(qū)偏應(yīng)力， 隨著環(huán)境壓力增大，這種微區(qū)偏應(yīng)力也會(huì)增大， 并導(dǎo)致衍射峰寬化. 而后在加熱過(guò)程中， MgO 屈服強(qiáng)度隨溫度升高而降低， 樣品軟化， 樣品中參與衍射區(qū)域的壓力差及微區(qū)偏應(yīng)力均會(huì)降低， 進(jìn)而使得衍射峰寬度減小.

4 結(jié) 論

本文基于中國(guó)綿陽(yáng)反應(yīng)堆中子源上建立的高溫高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 首次在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了高溫高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn). 采用單軸加載及凹曲面WC 壓砧， 設(shè)計(jì)了一套高溫高壓原位中子衍射的實(shí)驗(yàn)組裝， 成功獲得了不同壓力和溫度下樣品的中子衍射譜， 并針對(duì)組裝穩(wěn)定性、壓力發(fā)生效率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 通過(guò)對(duì)加壓前后密封墊厚度的對(duì)比及腔體壓力的原位測(cè)量發(fā)現(xiàn)， 密封墊高度由壓砧中心到邊緣呈梯度減小的設(shè)計(jì)， 能有效控制密封墊不同區(qū)域在加壓過(guò)程中的軸向擠壓和流變， 可明顯提高壓力發(fā)生效率和組裝的穩(wěn)定性. 高溫高壓原位中子衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示， 采用MgO 作為樣品， 腔體壓力、溫度達(dá)到了11.4 GPa，1773 K. 本工作所獲得的樣品環(huán)境的壓力溫度條件， 為我國(guó)堆源中子高溫高壓原位衍射實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的研究條件.

感謝中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所中子物理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的中子衍射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析上的幫助.