2.2　高压合成技术

2.2.1　六面顶液压机简介

国产六面顶液压机主要是从20世纪50年代逐渐发展起来的，它的主要用途是进行人造金刚石和立方氮化硼等超硬材料的合成生产。

六面顶液压机是与Belt型液压机（即两面顶）共同发展起来的两种不同加压方式的大型高温高压合成设备。图2.1所示为六面顶液压机顶锤示意，图2.1中每个顶锤都是与压机的缸体相连的，其缸体为类似于活塞的腔体，液压油通过液压原理推动顶锤前后运动并产生高压。目前所存在的普通六面顶液压机的压力极限约为6万个大气压。本课题组的高压设备经过不断的设计改造，现可以达到8万个大气压，完全满足了实验所需的压力条件，最高合成温度可以达到1600℃。六面顶液压机的顶锤是由硬质合金WC粉+8%Co（质量百分数）烧结成的。图2.1中所示的三对碳化钨顶锤形成三条直线，在三维立体空间中，三条直线交点为六面体的体心，这个点被称为是汇力中心，我们在压机顶锤调试中要尽力保证两个中心汇于一点。

相较于国外常用的两面顶液压机等高压设备而言，我国的六面顶液压机具备明显的优势。例如，国外的两面顶液压机升降压速度慢，尤其是泄压过程中常会由于泄压过快而导致放炮，而国产六面顶液压机则可以十分容易的进行升降压。也正因为于此，我国人造金刚石在20世纪60年代得到了长足的发展，制备周期大大缩短，有效地提高了生产效率。

本书中实验所用的压机型号为SPD—6×1200MN的国产六面顶液压机，实验过程也因为合成装置而变得简单且易操控。热电材料进行高温高压合成时，对压力和温度同样都是需要高精确度的，要想达到较高的精确度就需要我们对压机合成腔体的合成压力和温度进行准确的标定。

2.2.2　合成压力的标定

对于六面顶液压机合成腔体压力的测量通常有两种方法：一种是直接进行测量，另一种是通过间接的方式进行测量。直接测量是利用F=P×S的压力与压强之间的关系式来测量压强，间接测量是通过利用某种物质在一定压力下它的某种物理化学性质会产生突变的特性来进行压力标定的。

由于六面顶液压机的内部合成腔体在进行高压合成实验时是完全密闭的，而且，在六面顶液压机上也不可能对物质的体积以及一些物理量进行精确的测量。因此，并不适合用直接测量的方法进行测试，我们选用间接测量的方法来进行压力标定。所谓压力标定就是通过利用固定的压力点来总结出腔体内部压力与压机设定的油压值间的关系。本课题组的压力标定是利用几种在固定压力下会产生高压相变的单质金属进行压力标定的，其中，所利用的金属元素有铋（Bi）、钡（Ba）、铊（Tl）。三种金属元素的压力相变点和相变类型已在表2.1中分列出来。在测量这三种元素时，当给定压力达到其相变点以后，由于发生相变，电阻也会产生突变。因此，我们通过电流检测便可以进行压力标定了。

图2.2所示为六面顶液压机合成腔体内部压力与运行设定油压之间的变化关系，两者之间呈小弧度曲线上升。

2.2.3　合成腔体温度的测量、控制及组装

（1）温度的测量

热电材料在进行高温高压合成时对温度的要求也是十分苛刻的，因此，我们在进行高压实验之前必须对压机合成腔体的内部合成温度进行测试。图2.3所示为压机合成腔体的温度测试示意图。图中热电偶的结点位置要在腔体（合成块）的体心位置，另外的两个端点与上下锤相连，这样可以保证测试温度的准确性。按照图2.3进行组装连接后，通过锤体间的缝隙引出导线（在此过程中要保持块体导电部位间的绝缘及其与锤面的绝缘），这样可以避免导线在高压情况下被压断，确保温度测试正常进行。

由于本实验环境需要高温与高压相结合，因而，进行温度测量时也会有压力存在。这样，在选择测量温度的热电偶时，就需要避免使用温差电动势受压力影响较大的热电偶。K型热电偶受压力影响较小，其在10GPa高压下与在常压下的温差电动势仅有0.6μV/K的差别。因此，K型热电偶经常被用来测量六面顶液压机合成腔体的内部温度。但是，由于材质所限，K型热电偶只能在1100℃以内的温度区间使用，而在更高的温度测量区间就需要改用B型热电偶。

（2）温度标定

通过热电偶来进行温度测量，可以精确的显示出合成腔体内部的温度值。但是，高压合成实验的合成周期都比较短，如果每次实验都进行温度测量，会大大增加实验的繁琐度，同时也提高了实验成本（K型热电偶与磁管等都是较昂贵的进口材料）。因此，在进行高压合成实验时，我们通常利用温度标定来对合成腔体温度进行测量。图2.4所示为K型热电偶的给定功率与测试温度间的变化关系示意。

（3）稳定功率的控制

我们在进行高温高压合成的过程中，加热装置是恒功率加热的。图2.5所示为六面顶液压机的恒功率控制示意。从图2.5中可以看出，系统通过采集上下锤面的电流与电压值，并将信号转至EC7，EC7可以通过获得的信号来进行平衡调整，直接对加热电源进行调节，最终使得合成腔体进行恒功率加热。

（4）组装

热电材料的高温高压合成组装示意图如图2.6所示。