CN114323405A

CN114323405A - 磷化镉（Cd3P2）应用于大腔体压机高压装置腔内压力标定

Info

Publication number: CN114323405A
Application number: CN202011055458.9A
Authority: CN
Inventors: 彭放; 黄梦阳; 梁文嘉
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: CN114323405B

Abstract

本发明涉及将磷化镉(Cd₃P₂)应用于大腔体压机高压装置腔内压力标定，具体涉及在铋（Bi）、铊（Tl）、钡（Ba）等传统标压物质的基础上新增磷化镉（Cd₃P₂）作为标压物质，并利用其在高压条件下的相变压力点对大腔体压机高压装置的腔内压力进行标定，属于高压科学实验技术领域。本发明用国产铰链式六面顶大腔体压机作为高压产生装置,首次将磷化镉（Cd₃P₂）作为大腔体压机高压装置的压力标定物质，该成果进一步校准了标压曲线，有助于提高大腔体压机高压装置腔体压力与油压加载曲线的准确性。本发明提供的方法具有成本低、对环境友好、电学信号清晰、操作简单、实用等特点。

Description

磷化镉（Cd3P2）应用于大腔体压机高压装置腔内压力标定

技术领域

本发明涉及首次将Cd₃P₂应用于大腔体压机高压装置压力标定。具体涉及在铋（Bi）、铊（Tl）、钡（Ba）等传统标压物质的基础上，新增Cd₃P₂作为标压物质，并利用其在高压下发生相变时电阻率突变对腔体压力进行标定，属于高压实验技术领域。

背景技术

作为决定物质存在状态和结构变化的基本热力学参数，压力（P）在诱导物质结构和性质的改变上具有不同于温度（T）和化学组分的特殊能力。1935年，随着Bridgman压机的发明，高压技术逐渐出现在人们的视野之中。近百年来，高压实验技术快速发展是加深和扩大高压科学与技术应用的基础，已成为实现高压极端物理条件处理材料的主要方法。多面顶大腔体压机高压装置主要分为拉杆式、滑块式、铰链式。其中铰链式六面顶大腔体压机是我国自主研发的一种结构紧凑、运行成本低、自对中性好、易于维护、样品尺寸大、压力温度场相对均匀可控的高压设备。由于其具有的诸多技术优点，国产铰链式六面顶压机现已广泛应用于国内外科研领域的科学研究和生产领域的超硬材料的合成及其他相关领域取得了一系列突破进展，成为科研与生产的主流高压装置之一。

在高压环境下通常伴随着物质结构、电学性质、磁学性质、光学性质等物性变化。因此，在高压实验中常常通过间接测量物质的物性变化来标定高压腔体内部的压力，常用的压力标定方法有物质相变压力标定法、状态方程压力标定法和光谱压力标定法。压力的标定在高压科学与技术领域实则为压强的标定，其目的在于建立大腔体压机油压加载与腔体中压强的对应关系。本专利采用国产六面顶铰链式压机作为高压产生装置，对于国产六面顶铰链式压机一级腔体压力的标定，常利用物质在高压下的相变点进行标定。通常将已知的相变压力的物质放置于高压装置的压腔内，然后对该物质的某一物性随压力变化情况进行原位观测来判断是否发生相变或者其他物性的改变。如果发生相变，那么就可以判断当前高压腔体中的压力为该物质的相变压力值，从而得到腔体压力随油压加载的对应关系。1952年由Bridgman提出的Bridgman基准便是利用物质在高压极端物理条件下相变时电阻率突变现象来标定物质所处环境的压力值，该方法已广泛的应用于常温下包括六面顶铰链式压机在内的大腔体压机高压装置腔体压力的标定。

发明内容

本发明目的在于新增标压物质磷化镉（Cd₃P₂）使腔体压力与油压加载之间关系曲线的准确性提升，能够更精准的对高压装置中腔内压力进行标定。2008年，F.S. Yel’kin等人研究了Cd₃P₂在高温高压下的相变，该研究表明Cd₃P₂在常温下的高压相变压力点为4.0GPa（F.S. Yel’kin, et al. "Phase transitions in Cd₃P₂ at high pressures andhigh temperatures." Journal of Alloys & Compounds 450.1-2(2008):79-85.）。在此研究基础上，我们利用Cd₃P₂在常温下4.0GPa电阻率发生突变这一电学特性，将其应用在大腔体压机高压装置的压力标定之中，本发明采用国产链铰式六面顶大腔体压机作为高压产生装置。本发明中首次利用Cd₃P₂进行国产铰链式六面顶压机一级压腔压力标定，对于腔体压力与油压加载之间对应关系的准确性作出了进一步校准。

本发明涉及的磷化镉（Cd₃P₂）应用于大腔体压机高压装置压力标定主要包括以下步骤:

第一步：挑选品质较高，较为致密的叶腊石实心块（32.5mm×32.5mm×32.5mm）,质量约为90.6g；

第二步：将挑选好的叶腊石切去约1/3体积，同时保证剩余叶腊石高度大于16.25mm；

第三步：把切好的叶腊石用车床加工成两个表面平滑的叶腊石块（32.5mm×32.5mm×16.25mm），即将其组合成边长为32.5mm的正方体叶腊石块；

第四步：选择某一个表面较为平整的叶腊石块，沿着某一条对角线的方向，在中心处用小刀划一条深约2mm，长度约为8mm的小槽，将重量约为0.2g的Cd₃P₂粉末填入槽内；

第五步：将经砂纸打磨后光亮的导电性能好的铜片剪成L型，其中部尖锐处与Cd₃P₂粉末接触导通，并固定好铜片，然后剪去超出叶腊石部分的铜片，并留出2-3mm的部分折叠后用于锤面的电路导通即可；

第六步：将另外一半叶腊石盖上，用重物静置压实2小时，以保证填充粉末的致密性。采用四线法，将恒流源和多通道记录仪引入到压机的前、后、左、右四个顶锤，将油压信号接到多通道记录仪,在恒流源两端并联一个阻值为1KΩ的电阻。实验开始前设置好升压速率和时间，实验开始后保证恒流源电流稳定的前提下，记录油压曲线和选择好电压测试的量程并记录下电压取值的变化。

本发明所述方法第一步中选择的高品质叶腊石实心块，其主要成分为Al₂Si₄O₁₀(OH)₂，并且在高温下分解的最终产物为SiO₂、Al₂O₃。所挑选的叶腊石实心块密度约为2.64g/cm³。

本发明所述方法第二步中用钢锯切去叶腊石正方块的1/3，尽可能使被切面无较大倾斜，以方便加工。

本发明所述方法第三步中用车床加工叶腊石时，在保证平面平整的同时，尽可能保证叶腊石的高度在16.25（±0.1）mm，即两个块组合起来加工成边长为32.5mm的正方体叶腊石块。

本发明所述方法第四步中在叶腊石中心处划槽的目的在于减小粉末在被压缩过程中产生的流变对电学信号探测的影响。划槽的深度和长度以及取粉量为大概范围取值，具体的实验可灵活实施。

本发明所述方法第五步中将铜片打磨光亮的目的在于磨去被氧化的氧化铜薄膜，提高铜片的导电性能。L型铜片的尖锐处一定要和粉末较好贴合以为了能够与中部标压物质导通，在沿着对角线方向固定好铜片之后，用万用表的测量电阻的档位确保电路的连通性。切忌将两个L型的铜片顶端相靠太近，以免出现电路短路的问题。

本发明所述方法第六步中采用四线法布置电路，四线法有利于降低接触电阻，能够使实验所需要采集的电学信号更加清晰。保证恒流源在实验全程中的电流值稳定，多通道记录仪记录原位压力加载过程中的压机油压和线路中的电压信号。

有益效果

（1）本发明是首次以磷化镉（Cd₃P₂）作为新的标压物质，本发明在铋（Bi）、铊（Tl）、钡（Ba）等传统标压物质的基础上新增了可用于大腔体压机高压装置压力标定的物质。磷化镉化学性能稳定，相变时电阻变化明显，测量压力准确。同时没有像铊材料的剧毒和钡材料的极易氧化，是大腔体压机压力标定的一种比较理想的标压物质。

（2）本发明将磷化镉（Cd₃P₂）应用于大腔体压机高压装置压力标定，进一步校准了标压曲线，有利于提高腔体压力与油压加载的关系曲线的准确性。

（3）本发明不仅只适用于六面顶铰链式压机，对于两面顶，四面顶，八面顶等其他大腔体高压装置均可以用于压力标定，具体设备其电学信号的采集方式不同，需要具体装置具体分析。本发明仅以国产六面顶铰链式压机作为高压产生装置，旨在新增标压物质磷化镉（Cd₃P₂）并且可用于高压设备腔体压力的标定。

附图说明

图1：实施例一所述组装的高压原位电阻测量电路示意图。

图2：实施例二所述初始标压物质磷化镉（Cd₃P₂）的XRD图谱。

图3：实施例三所述多通道记录仪采集的电压信号变化图。

图4：实施例三所述常用于大腔体压机高压装置压力标定材料的相变压力点。

图5：实施例四所述新增入磷化镉（Cd₃P₂）后的标压曲线与传统标压曲线的对比图。

具体实施方式

实施例一：

（1）选取品质较高，较为致密的叶腊石实心块（32.5mm×32.5mm×32.5mm），将挑选好的叶腊石用钢锯切去约1/3，同时保证剩余叶腊石高度大于16.25mm；

（2）将切好的叶腊石用车床加工成两个表面平滑的叶腊石块（32.5mm×32.5mm×16.25mm），控制其组合成边长为32.5mm的正方体叶腊石块，误差范围在±0.1mm以内；

（3）选择某一个表面较为平整的叶腊石块，沿着某一条对角线的方向，在中心处用小刀划一条深约2mm，长度约为8mm的小槽，将重量约为0.2g的Cd₃P₂粉末填入槽内；将经砂纸打磨后光亮的导电性能好的铜片剪成L型，其中部尖锐处与Cd₃P₂粉末接触导通，并固定好铜片，剪去超出叶腊石部分的铜片，并留出2-3mm的部分折叠后与锤面接触使得电路导通；然后把另外一个叶腊石块盖上，用重物静置压实2小时；采用四线法，将恒流源和多通道记录仪分别引入到六面顶压机的前、后、左、右四个顶锤，在恒流源两端并联一个阻值为1KΩ的电阻，并将油压信号接到多通道记录仪；

（4）实验开始前设置升降压速率为5-45MPa/20min，保证恒流源电流稳定，选择适当电压测试的量程；实验开始时，对压机六个油缸进行充液，当油压升至5MPa时开始记录油压信号和电压信号，当油压升至45MPa时点击压力跳步开始泄压，待油压泄至5MPa时停止记录取出读卡器分析电压信号的变化曲线；

（5）用多通道读取软件将文件转换成Excel格式，然后用Origin绘图，观测电压信号即电阻的突变。实验结果：在对应油压加载为28.2MPa时，电压信号发生明显变化，出现曲线拐点，说明该油压值对应于腔体压力4.0GPa；最后将Bi、Tl、Cd₃P₂、Ba的相变压力点通过Origin拟合得到了油压加载与腔体压力的关系图，即得到标压曲线。

实施例二：

（5）用多通道读取软件将文件转换成Excel格式，然后用Origin绘图，观测电压信号即电阻的突变。实验结果：在对应油压加载为29.3MPa时，电压信号发生明显变化，电压曲线出现拐点，说明该油压值对应于腔体压力4.0GPa。最后将Bi、Tl、Cd₃P₂、Ba的相变压力点通过Origin拟合得到了油压加载与腔体压力的关系图，即得到标压曲线。

实施例三：

（3）选择某一个表面较为平整的叶腊石块，沿着某一条对角线的方向，在中心处用小刀划一条深约2mm，长度约为8mm的小槽，将重量约为0.2g的Cd₃P₂粉末填入槽内；将经砂纸打磨后光亮的导电性能好的铜片剪成L型，其中部尖锐处与Cd₃P₂粉末接触导通，并固定好铜片，剪去超出叶腊石部分的铜片，并留出2-3mm的部分折叠后用于与锤面接触使得电路导通；然后把另外一个叶腊石块盖上，用重物静置压实2小时；采用四线法，将恒流源和多通道记录仪分别引入到六面顶压机的前、后、左、右四个顶锤，在恒流源两端并联一个阻值为1KΩ的电阻，并将油压信号接到多通道记录仪；

（4）实验开始前设置升降压速率为5-45MPa/30min，保证恒流源电流稳定，选择适当电压测试的量程；实验开始时，对压机六个油缸进行充液，当油压升至5MPa时开始记录油压信号和电压信号，当油压升至45MPa是点击压力跳步开始泄压，待油压泄至5MPa时停止记录取出读卡器分析电压信号的变化曲线；

（5）用多通道读取软件将文件转换成Excel格式，然后用Origin绘图，观测电压信号即电阻的突变。实验结果：在对应油压28.3MPa时，电压信号发生明显变化，电压曲线出现拐点，说明该油压值对应于腔体压力4.0GPa。最后将Bi、Tl、Cd₃P₂、Ba的相变压力点通过Origin拟合得到了油压加载与腔体压力的关系图，即得到标压曲线。

实施例四：

（5）用多通道读取软件将文件转换成Excel格式，然后用Origin绘图，观测电压信号即电阻的突变。实验结果：在对应油压29.5MPa时，电压信号发生明显变化，电压曲线出现拐点，说明该油压值对应于腔体压力4.0GPa。最后将Bi、Tl、Cd₃P₂、Ba的相变压力点通过Origin拟合得到了油压加载与腔体压力的关系图，即得到标压曲线。

本发明的实验结果由于每一次实验组装的细微差异导致电压突变点对应的油压误差在1.3MPa以内，属于大腔体压机高压装置油压加载的允许误差范围，经多次重复实验证明了磷化镉（Cd₃P₂）作为压力标定物质的可行性。所列举的工艺参数（例如叶腊石质量、标压物质用量、升压速率、划槽深度与长度、并联电阻阻值、铜片长度等）上下区间值都能实现本发明，再此不一一列举实施例。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，用以说明本发明的技术方案，并不用以限制本发明，在本发明的启示下，有关技术领域的人员在不脱离本发明的遵旨和权利要求的情况下，还可以做出各种改变、修饰、替换、组合和简化，这些均属于本发明的保护范畴。

Claims

1.磷化镉（Cd₃P₂）应用于大腔体压机高压装置腔内压力标定，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 挑选品质较高，较为致密的叶腊石实心块（32.5mm×32.5mm×32.5mm）；

(2) 将上述（1）中将挑选好的叶腊石切去约1/3体积，同时保证剩余叶腊石高度大于16.25mm；

(3) 将上述（2）中切好的叶腊石用车床加工成两个表面平滑的叶腊石块（32.5mm×32.5mm×16.25mm），即将其组合成边长为32.5mm的正方体叶腊石块；

(4) 将上述（3）中加工好的叶腊石块选择某一个表面较为平整的叶腊石块，沿着某一条对角线的方向，在中心处用小刀划一条深约2mm，长度约为8mm的小槽，将重量约为0.2g的Cd₃P₂粉末填入槽内；

(5) 将经砂纸打磨后光亮的导电性能良好的铜片剪成L型，其中部尖锐处与Cd₃P₂粉末接触导通，并固定好铜片，然后剪去超出叶腊石部分的铜片，并留出2-3mm的部分折叠后用于锤面的电路导通即可；

(6)将上述（3）中另外一半叶腊石盖上，用重物静置压实2小时，以保证填充粉末的致密性；本专利采用四线法布置电路，将恒流源和多通道记录仪引入到六面顶压机的前、后、左、右四个顶锤，将油压信号连接到多通道记录仪；设置好升压速率和时间，实验开始后保证恒流源电流稳定的前提下，记录油压曲线和选择好多通道记录仪电压测试的量程并记录下电压取值的变化；本专利采用国产六面顶铰链式压机作为高压产生装置，其余类型的高压装置电路布置视情况而定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，选择的高品质叶腊石实心块其主要成分为Al₂Si₄O₁₀(OH)₂，并且在高温下分解的最终产物为SiO₂、Al₂O₃，所挑选的叶腊石实心块密度约为2.64g/cm³。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，用钢锯切去叶腊石正方块的1/3，尽可能使被切面无较大倾斜，以方便加工。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，用车床加工叶腊石时，在保证平面平整的同时，尽可能保证叶腊石的高度在16.25（±0.1）mm，即两个块组合起来加工成边长为32.5mm的正方体叶腊石块。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（4）中，在叶腊石中心处划槽的目的在于减小粉末在被压缩过程中产生的流变对电学信号探测的影响，划槽的深度和长度以及取粉量为上下区间值，具体的实验可灵活实施。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（5）中，将铜片打磨光亮的目的在于磨去被氧化的氧化铜薄膜，提高铜片的导电性能，L型铜片的尖锐处一定要和粉末较好贴合以为了能够与中部标压物质导通，在沿着对角线方向固定好铜片之后，用万用表的测量电阻的档位确保电路的连通，切忌将两个L型的铜片顶端相靠太近，以免出现电路短路的问题。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（6）中，采用四线法布置电路，四线法有利于降低接触电阻，能够使实验所需要采集的电信号更加清晰，保证恒流源在实验全程中的电流值稳定，多通道记录仪记录原位压力加载过程中的压机油压和线路中的电压信号。