2.2　高壓合成技術

2.2.1　六面頂液壓機簡介

國產六面頂液壓機主要是從20世紀50年代逐漸發展起來的，它的主要用途是進行人造金剛石和立方氮化硼等超硬材料的合成生產。

六面頂液壓機是與Belt型液壓機（即兩面頂）共同發展起來的兩種不同加壓方式的大型高溫高壓合成設備。圖2.1所示為六面頂液壓機頂錘示意，圖2.1中每個頂錘都是與壓機的缸體相連的，其缸體為類似于活塞的腔體，液壓油通過液壓原理推動頂錘前后運動并產生高壓。目前所存在的普通六面頂液壓機的壓力極限約為6萬個大氣壓。本課題組的高壓設備經過不斷的設計改造，現可以達到8萬個大氣壓，完全滿足了實驗所需的壓力條件，最高合成溫度可以達到1600℃。六面頂液壓機的頂錘是由硬質合金WC粉+8%Co（質量百分數）燒結成的。圖2.1中所示的三對碳化鎢頂錘形成三條直線，在三維立體空間中，三條直線交點為六面體的體心，這個點被稱為是匯力中心，我們在壓機頂錘調試中要盡力保證兩個中心匯于一點。

相較于國外常用的兩面頂液壓機等高壓設備而言，我國的六面頂液壓機具備明顯的優勢。例如，國外的兩面頂液壓機升降壓速度慢，尤其是泄壓過程中常會由于泄壓過快而導致放炮，而國產六面頂液壓機則可以十分容易的進行升降壓。也正因為于此，我國人造金剛石在20世紀60年代得到了長足的發展，制備周期大大縮短，有效地提高了生產效率。

本書中實驗所用的壓機型號為SPD—6×1200MN的國產六面頂液壓機，實驗過程也因為合成裝置而變得簡單且易操控。熱電材料進行高溫高壓合成時，對壓力和溫度同樣都是需要高精確度的，要想達到較高的精確度就需要我們對壓機合成腔體的合成壓力和溫度進行準確的標定。

2.2.2　合成壓力的標定

對于六面頂液壓機合成腔體壓力的測量通常有兩種方法：一種是直接進行測量，另一種是通過間接的方式進行測量。直接測量是利用F=P×S的壓力與壓強之間的關系式來測量壓強，間接測量是通過利用某種物質在一定壓力下它的某種物理化學性質會產生突變的特性來進行壓力標定的。

由于六面頂液壓機的內部合成腔體在進行高壓合成實驗時是完全密閉的，而且，在六面頂液壓機上也不可能對物質的體積以及一些物理量進行精確的測量。因此，并不適合用直接測量的方法進行測試，我們選用間接測量的方法來進行壓力標定。所謂壓力標定就是通過利用固定的壓力點來總結出腔體內部壓力與壓機設定的油壓值間的關系。本課題組的壓力標定是利用幾種在固定壓力下會產生高壓相變的單質金屬進行壓力標定的，其中，所利用的金屬元素有鉍（Bi）、鋇（Ba）、鉈（Tl）。三種金屬元素的壓力相變點和相變類型已在表2.1中分列出來。在測量這三種元素時，當給定壓力達到其相變點以后，由于發生相變，電阻也會產生突變。因此，我們通過電流檢測便可以進行壓力標定了。

圖2.2所示為六面頂液壓機合成腔體內部壓力與運行設定油壓之間的變化關系，兩者之間呈小弧度曲線上升。

2.2.3　合成腔體溫度的測量、控制及組裝

（1）溫度的測量

熱電材料在進行高溫高壓合成時對溫度的要求也是十分苛刻的，因此，我們在進行高壓實驗之前必須對壓機合成腔體的內部合成溫度進行測試。圖2.3所示為壓機合成腔體的溫度測試示意圖。圖中熱電偶的結點位置要在腔體（合成塊）的體心位置，另外的兩個端點與上下錘相連，這樣可以保證測試溫度的準確性。按照圖2.3進行組裝連接后，通過錘體間的縫隙引出導線（在此過程中要保持塊體導電部位間的絕緣及其與錘面的絕緣），這樣可以避免導線在高壓情況下被壓斷，確保溫度測試正常進行。

由于本實驗環境需要高溫與高壓相結合，因而，進行溫度測量時也會有壓力存在。這樣，在選擇測量溫度的熱電偶時，就需要避免使用溫差電動勢受壓力影響較大的熱電偶。K型熱電偶受壓力影響較小，其在10GPa高壓下與在常壓下的溫差電動勢僅有0.6μV/K的差別。因此，K型熱電偶經常被用來測量六面頂液壓機合成腔體的內部溫度。但是，由于材質所限，K型熱電偶只能在1100℃以內的溫度區間使用，而在更高的溫度測量區間就需要改用B型熱電偶。

（2）溫度標定

通過熱電偶來進行溫度測量，可以精確的顯示出合成腔體內部的溫度值。但是，高壓合成實驗的合成周期都比較短，如果每次實驗都進行溫度測量，會大大增加實驗的繁瑣度，同時也提高了實驗成本（K型熱電偶與磁管等都是較昂貴的進口材料）。因此，在進行高壓合成實驗時，我們通常利用溫度標定來對合成腔體溫度進行測量。圖2.4所示為K型熱電偶的給定功率與測試溫度間的變化關系示意。

（3）穩定功率的控制

我們在進行高溫高壓合成的過程中，加熱裝置是恒功率加熱的。圖2.5所示為六面頂液壓機的恒功率控制示意。從圖2.5中可以看出，系統通過采集上下錘面的電流與電壓值，并將信號轉至EC7，EC7可以通過獲得的信號來進行平衡調整，直接對加熱電源進行調節，最終使得合成腔體進行恒功率加熱。

（4）組裝

熱電材料的高溫高壓合成組裝示意圖如圖2.6所示。