叶蜡石流变学与六面顶超高压技术研究

摘要

叶蜡石是一种层状结构的粘土矿物，在层状结构硅酸盐矿物中叶蜡石含水最少，这一结构和组成决定了它优良的物理化学性质，内摩擦系数小，耐火度高，导热系数小，在加热过程中脱水温度范围宽、体积稳定，内摩擦系数随承受压力增大而增大等特点。叶蜡石是一优良的固态传压介质。叶蜡石在冶金、建材、轻工、化工、石油、电器工业部门和农业上都有广泛应用。
　　 论文通过研究叶蜡石在六面顶超高压下的流变规律，系统探讨了叶蜡石在六面顶超高压装置中对实现传压和密封的作用机理，系统总结近五十年来六面顶超高压技术的研究成果，对超高压设备、超高压模具和传压介质的设计提供了科学依据。论文提出了六面项超高压技术“终态对称”理论，完善了超高压腔体与传压介质结构的设计方法，并在高温高压工业化合成金刚石方面得到了成功应用。研究成果对开发新的传压介质，充分挖掘六面顶超高压设备的潜力，研究新的高温高压超硬材料合成技术有着重要的指导意义。
　　 论文研究的主要工作和取得的创新成果如下:
　　 1.首次对六面项超高压腔体进行分区域研究，测定叶蜡石在超高压条件下的压力-位移曲线和压力-流变量关系曲线，分析叶蜡石在六面顶超高压腔体内的流动和压缩过程，揭示了叶蜡石在六面项超高压条件下的塑性流变和高压等静压压缩规律。
　　 2.首次建立了叶蜡石内摩擦系数、流变量等参数与硬质合金顶锤结构尺寸的关系模型，分析了各参数的功能和作用，为六面顶超高压腔体结构设计提供了科学依据和具体计算方法;
　　 3.实验发现在六面项超高压腔体内，叶蜡石在较低压力下首先完成塑性变形，随即进入弹性压缩过程。在超高压条件下叶蜡石的密度大于常压下的矿石密度。六面项锤面尺寸对叶蜡石的密封效果影响最大，从理论和实验两个方面证明了大腔体具有更好的密封性能。这一结论为超高压腔体结构设计提供了实验支持和可供参考的理论依据。
　　 4.首次用数学语言表达了六面顶超高压模具设计的形状补强原理和应力补强原理。深入研究了“三心合一”原理，对六面项超高压装置设计、加工、使用和维护具有指导作用。
　　 5.通过研究叶蜡石流变规律，提出了“终态对称”理论。超高压腔体结构应有利于传压和满足密封等合成条件的要求。同时，为了满足静力平衡条件，超高压腔体工作的初始状态可以不对称。但最终状态必须是对称的。“终态对称”理论为建立硬质合金顶锤和叶蜡石块结构尺寸配合关系，及设计新型六面顶超高压腔体结构提供了理论依据和具体计算方法。
　　 6.系统阐述了六面顶超高压技术的“终态对称”理论，为传压介质和超高压腔体的结构设计提供了理论基础，并按照新的理论设计金刚石合成腔体结构，取得了良好的应用效果。按照“终态对称”理论，用Φ560mm缸径的六面顶压机，将超高压腔设计从Φ42mm扩大到Φ48mm，提高产能30％以上，顶锤消耗降低至合成每万克拉金刚石消耗0.5公斤硬质合金的水平，不仅让设备的潜能得到了充分挥发，而且保证了超高压腔体工作更稳定。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究叶蜡石流变规律是完善超高压技术的重要工作

1．2 叶蜡石矿物学特征

1．3 叶蜡石资源分布及叶蜡石矿物的分类与应用

1．4 叶蜡石的结构

1．5 叶蜡石的力学性质

1．6 叶蜡石的热学性质及介电性能

1．7 叶蜡石在固态传压介质方面的应用

1．8 复合传压介质研究

1．9 超高压技术发展概况

1．10 选题的依据和意义

1．11 论文的主要工作和创新点

第2章 六面顶超高压设备与模具设计和叶蜡石流变规律实验方法研究

2．1 六面顶超高压设备设计原理研究

2．1．1 六面顶超高压系统中的静力平衡问题

2．1．2 六面顶压机加工精度对超高压系统的影响

2．1．3 六面顶压机结构刚性对超高压系统的影响

2．1．4 六面项压机应该具备的性能讨论

2．2 模具设计原理研究

2．2．1 切应力补强原理

2．2．2 侧向支撑原理

3．2．3 应力分布与应力集中问题

2．2．4 硬质合金内部缺陷的影响

2．2．5 讨论

2．3 叶蜡石流变学的基本概念

2．4 六面顶超高压腔的构成

2．5 超高压下叶蜡石流变过程的基本分析

2．6 顶锤应力分布的基本分析

2．7 顶锤和叶蜡石结构尺寸的配合问题研究

2．8 压缩体积和飞边体积的计算

2．8．1 ф320缸径六面顶压机使用过的腔体结构

2．8．2 ф400缸径六面顶压机使用过的腔体结构

2．8．3 ф500mm缸径六面顶压机使用过的腔体结构

2．9 叶蜡石流变规律研究方法

第3章 叶蜡石流变量与超高压腔体尺寸的关系研究

3．1 ф320缸径六面顶超高压装置中叶蜡石的流变实验

3．1．1 实验条件和方法

3．1．2 实验结果与讨论

3．2 ф400缸径六面顶超高压装置中叶蜡石流变实验

3．2．1 实验条件和方法

3．2．2 实验结果与讨论

3．3 ф420缸径六面顶压机上的实验

3．3．1 实验条件和方法

3．3．2 实验结果

3．4 ф500缸径超高压装置中叶蜡石流变实验

3．4．1 实验条件和方法

3．4．2 实验结果

3．5 锤面尺寸对剪切飞边的压力影响

3．6 流出量与摩擦角的关系

3．7 超高压下叶蜡石塑性流变与密封问题讨论

3．8 小结

第4章 叶蜡石压缩位移与压力的关系研究

4．1 引言

4．2 实验条件与实验方法

4．2．1 实验设备

4．2．2 实验原材料

4．2．3 实验方法

4．3 实验结果

4．3．1 升压位移-压力关系

4．3．2 卸压位移-压力关系

4．4 压缩密度及飞边密度与压缩位移的关系

4．5 位移曲线和密度曲线的应用意义

4．6 本章小结

第5章 金刚石合成块的压缩位移与压力的关系研究

5．1 实验方法

5．2 实验结果分析与讨论

5．2．1 合成块升压位移-压力关系

5．2．2 合成块卸压位移-压力关系

5．3 各向压缩率一致问题讨论

5．3．1 塑性变形量与传压、密封的关系

5．3．2 金刚石合成块的各向压缩率和反弹量对超高压状态的影响

5．3．3 超高压系统的密封可靠性分析

5．4 本章小结

第6章 六面顶超高压装置中的“三心合一”要求与“终态对称”理论研究

6．1 超高压设备对中、同步问题的历史回顾

6．1．1 上世纪六十年代至八十年代初的概念

6．1．2 上世纪八十年代至九十年代初的概念

6．1．3 上世纪九十年代中后期的概念-----对中新认识时期

6．2 “三心合一”讨论

6．2．1 三个“中心”的空间关系

6．2．2 三个中心的相对位置对设备和模具受力状态的影响

6．3 六面顶超高压装置的对中问题讨论

6．3．1 六面顶压机的空间静力平衡问题

6．3．2 模具汇力中心与设备中心的重合问题

6．3．3 物料中心与模具汇力中心的重合问题

6．3．4 实现“三心合一”的技术途径

6．4 “终态对称”理论概括

6．5 本章小结

第7章 新型腔体结构合成金刚石技术研究

7．1 应用“终态对称”理论设计金刚石合成腔体结构

7．2 新型腔体结构实验方案

7．2．1 实验设备

7．2．2 锤块尺寸设计

7．2．3 合成工艺曲线

7．3 合成效果

7．3．1 合成金刚石粒度分布及粗粒粒度占有率

7．3．2 高品质金刚石占有率及实际金刚石

7．3．3 高品质金刚石占有率

7．3．4 高品质金刚石TI、TTI

7．4 顶锤消耗

7．5 讨论

第8章 结论

8．1 六面顶超高压下叶蜡石流变规律实验方法研究成果

8．2 六面顶超高压技术研究的重要结果

8．3 “终态对称”理论在金刚石合成方面的应用结果

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果及目录