一种高温下精确测量高压腔体内部压力的装置及方法与流程

本发明涉及高压压力测量的，尤其涉及一种高温下精确测量高压腔体内部压力的装置及方法。

背景技术：

1、在采用准静水传压介质并进行加热条件下，对高压装置中的压力进行更精确测量的问题，对于六面顶三轴压缩压机而言尤为突出。六面顶压机能够实现对27-1000dm³超大工作容积的压缩，反应单元容积可达0.5–100 dm³，因此，作为工艺参数的压力设定不准确，会因产品产率不优化以及用于实现1-20gpa超高压力压缩的硬质合金部件耐久性下降而造成重大损失。

2、除缺乏压力控制外，目前还无法评估压缩容器的压缩效率与可压缩垫片形状及硬质合金压头构型之间的关系，而这些因素对于在压腔中获得最大压力值至关重要。例如，在聚晶金刚石及立方氮化硼切削片晶体生长过程中，为保证样品达到最高致密度，必须实现上述控制。这一问题显著限制了这些材料在现代高新技术领域中的应用，例如高硬度陶瓷机械加工、钻探工具，以及电子工业中的散热器和导热元件。

3、为了产生2–3 gpa以上的高压，并将其作为工艺过程参数应用于生产目的，例如用于金刚石样品、金刚石单晶及立方氮化硼单晶的生长，通常采用使用准静水传压介质工作的高压装置。由于该类介质具有内摩擦系数低和高塑性等特性，因此能够实现材料在10gpa甚至更高压力下的压缩。

4、采用准静水传压介质工作的高压装置在运行中的一个重要问题是对反应单元即合成腔体中的高压测量，该问题通常通过建立高压装置的加载特性曲线的方法加以解决。高压装置的加载特性是通过实验确定的，反映准静水介质压缩压力变化的函数关系。对于现有不同类型的高压装置，例如belt型、toroid型、bars型以及各种多压头装置改型，通过建立其加载特性，可以确定允许的压缩力极限值，并最大限度地将其用于科研及工业生产目的。

5、目前，这些加载特性仅在室温条件下进行测定。然而，实际生产过程中，在高压装置中对反应单元进行加热时，会显著改变依据室温加载特性所确定的压力值。由于高压装置各部件受热膨胀，反应单元中的压力会在加热过程中升高。根据专家评估，在3–10 gpa压力及500–2000 ℃温度范围内工作时，这一因素可能导致高压装置工作腔中的压力增加2–4gpa，甚至达到室温条件下所确定初始最大压力值的50 %。

6、在高压装置升温条件下，利用加载特性确定压力时，另一种导致压力测量误差的来源是容器材料在发生伴随体积减小的相变过程。在这种情况下，初始压力可能降低。根据合成腔体中发生伴随压力降低相变物质的数量不同，该压力降低幅度可达到10 %甚至更高。

7、用于建立压力与容器压缩力之间关系的加载特性是借助测量基准物质和材料（称为校准元件）电阻变化的传感器来确定的。在这些校准元件中，当压力达到固定值时，由于发生一级相变（晶体结构变化或熔化），其电阻值会发生突变。

8、此类传感器通常由金属基准元件（丝状）或片状基准元件（半导体基准元件）构成，并与引出电接点连接，通过这些接点将其接入测量电路。用于在高压装置加载过程中测量基准元件电阻的电阻传感器接入测量电路的原理示意图见图1。测量电路包括依次串联连接的电源1、用于设定通过压力传感器工作电流值的变阻器2、由基准物质制成的压力传感器（校准元件）13和用于测定热电动势和压力相变点的测量装置3。

9、用于建立高压装置加载特性的压力固定点是通过专用方法并利用高精度高压设备在室温条件下确定的。在10 gpa以下压力范围内，最主要的金属基准物质为铋（bi），其中bi i–bi ii和bi iii–bi iv相变分别对应已知固定压力点2.56 ± 0.1 gpa和7.7 ± 0.3gpa（室温，rt）。此外，还采用钽ta（3.67 ± 0.3 gpa，rt）、钡ba（5.5 ± 1 gpa，rt）以及锡sn（9.4 ± 0.4 gpa，rt）等校准元件。

10、利用上述金属基准物质固定压力点的数据，可以确定已知高压装置在准静水压缩及室温条件下的加载特性。加载特性的形式取决于具体结构中高压装置通过密封件变形来实现高压腔内材料压缩的能力。加载特性通常由两个区段组成，其中第一部分为直线区段，该区段是密封件厚度均匀减小的结果，其特征为，为常数，即压头位移x相对于所施加力f的变化保持恒定。随着压缩力增大，可压缩垫片材料的表面摩擦与内部摩擦增加，导致数值减小，加载特性逐渐呈现曲线型抛物线形式，并非对称地趋近于由压缩变形垫片的硬质合金压头强度极限所决定的最终值。

11、国产六面顶高压装置加载过程由两个阶段组成，各阶段对应不同的压缩力施加速度以及不同的温度条件，在这些条件下可压缩垫片发生变形。该立方压机的双阶段加载循环导致其工作腔内实际达到的压力值，与依据室温加载特性所确定的压力值存在显著差异。这种组合式双阶段压缩循环能够显著改善超高压形成过程的质量指标，其方式如下：通常，第i阶段加载是指将压力提高至预先设定最大值的70–80%；随后，第ii阶段压缩在开启工作体积加热的条件下开始进行，此时，压机系统中的压力升高速率选择得明显低于第i阶段过程中的压力升高速率，其选择方式应保证可压缩垫片被加热至比初始温度高30–40 ℃的温度。

12、由于温度升高，可压缩垫片变得更加具有塑性并且更易于发生变形。这有助于通过减小可压缩垫片材料的数值来提高工作体积的压缩效率。与此同时，加载特性直线区段的长度增加，所达到压力的上限值提高，并且高压装置的工作稳定性也得到提高。

13、从总体分析可以看出，为了优化六面顶压机中采用组合式两阶段加载循环时工作腔内最大压力的实现过程，需要确定以下参数之间的关系：第一阶段和第二阶段加载持续时间的比例、加热高压装置时的温度及其升温速度，以及在第二阶段工作介质压缩过程中所达到的压力值。

14、然而，由于目前缺乏在高温条件下对准静水高压装置内压力进行测量的方法，因此无法测定上述参数之间的关系并对其进行优化。此外，还应指出的是，目前在高温条件下建立载荷特性的方法具有极高的需求，因为需要确定硬质合金压头的受压端部结构形式，以保证高压装置反应体积内所需的压力分布，并通过改变其形状——首先是受压面积大小及受压面倾角之间的比例——来实现最大压力值。

技术实现思路

1、针对现有技术不能在高温条件下进行压力测量的技术问题，本发明提出一种高温下精确测量高压腔体内部压力的装置及方法，用于确定压力变化并建立准静水介质在采用可压缩垫片致密化原理工作的高压装置中的压缩加载特性，能够通过建立1–10 gpa压力及500–2000℃温度条件下的加载特性曲线，对高压装置中的准静水压力进行评估，尤其适用于六面顶压机。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种高温下精确测量高压腔体内部压力的方法，包括如下步骤：

3、步骤1.设定测量的温度范围和压力范围；

4、步骤2.选取至少两种金属作为压力传感器的校准元件，并制成丝状电阻器，根据校准元件的温度-压力曲线确定校准元件的融化温度；

5、步骤3.在高压装置的合成腔体中引入多个绝缘电接触，绝缘电接触分别与校准元件与热电偶相连接；

6、步骤4.将热电偶的热端靠近压力传感器的校准元件位置处；

7、步骤5.压力传感器上的至少两个丝状电阻器并联连接，设置在高压装置的合成腔体的准静水介质中；

8、步骤6.根据校准元件熔断时的熔化温度，利用校准元件的温度-压力曲线确定校准元件熔断时的压力，通过拟合建立合成腔体内部压力与温度的函数关系；通过函数关系确定合成腔体内准静水介质对应温度下的压力。

9、优选地，所述温度范围为500–2000℃，压力范围为1–10 gpa；在高压装置的合成腔体内，在每个校准元件熔断时记录电流的跃变，并确定对应的熔化温度t熔，根据校准元件的温度-压力曲线确定熔断时的压力；利用至少两个校准元件测量的熔化温度t熔和对应的压力拟合确定建立合成腔体内部压力与温度的函数关系。

10、优选地，所述金属是cd、pb、al、ag、cu、au、ni、fe、pd、pt、ge、si中的至少两种；

11、对于温度为500–1400℃的范围，采用cd、pb、ge、si、al、ag、au和cu的相态温度和压力确定步骤2中的温度-压力曲线；

12、当温度大于1400–1500℃时，采用由fe、ni、pd或pt至少两种制成的并联丝状电阻器测量准静水介质的压力。

13、优选地，所述丝状电阻器的横截面积为0.7–0.8mm²、长度为3–5mm；

14、所述热电偶的热端与校准元件的距离为0.2 mm-2.5 mm；

15、至少两个校准元件布置在同一平面内，并通过绝缘层与热电偶的热端所在平面隔离。

16、优选地，根据权利要求4所述的高温下精确测量高压腔体内部压力的方法，其特征在于，所述绝缘电接触的数量设有多个，包括用于实现丝状电阻器加热的绝缘电接触、用于通过测量热电偶的热电动势测量温度的绝缘电接触和用于确定校准元件从固态向液态的熔化过程的绝缘电接触；多个绝缘电接触的引线通过硬质合金加压压砧连接；

17、所述热电偶为pt-ptrh热电偶，pt-ptrh热电偶直接引入高压装置的合成腔体的工作体积内。

18、优选地，所述丝状电阻器上的信号变化是由于几何形状改变以及在熔化过程中发生流散，导致电路断开并使工作电流停止通过所引起；

19、在nacl或cscl塑性介质中的准静水压缩条件下发生熔化时，当达到与各校准元件对应的熔化温度t熔时，丝状电阻器会失去原始形状，并以直径为0.1–0.5 mm的液滴形式铺展。

20、一种高温下精确测量高压腔体内部压力的装置，包括合成块，合成块内设有保温管，保温管内设有导电石墨管，导电石墨管的两端设有导电石墨片；导电石墨管内为填充有准静水介质的合成腔体，合成腔体中部的放置区域设置有压力传感器；

21、所述压力传感器包括壳体，壳体上设有两个对称的电接触石墨片，两个电接触石墨片之间设有两个并联的校准元件。

22、优选地，所述壳体上有两个对称分布的孔，孔上设有电接触石墨片，两个电接触石墨片通过至少2个并联连接的校准元件相连接；所述电接触石墨片上设有校准元件信号导线；所述壳体下部与热电偶接点相接触，热电偶接点与热电偶信号导线相连接；所述校准元件信号导线和热电偶信号导线与硬质合金加压压砧的工作面接触。

23、优选地，所述导电石墨片的两端设有用于传压的石柱，石柱外侧有导电用的钢帽，钢帽通过石环与合成块密封连接；

24、所述热电偶（12）与校准元件之间的最小距离为0.2-0.35 mm。

25、优选地，所述准静水介质为六方氮化硼h-bn；

26、所述壳体的形状为圆盘状；

27、至少两个所述校准元件的同名接触端设置在一个电接触石墨片，校准元件信号导线与电接触石墨片的中心电连接；

28、所述热电偶接点设置在壳体下部的中心且位于校准（13）之间。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果：本技术通过构建一种高温下的测量装置，并开发了对应的测量方法，实现了合成腔体在高温下的精确压力测量，突破了现有方法偏差大，难以指导生产的瓶颈。