一种金刚石压腔高温高压实验用金属垫片及其制造方法

摘要

本发明提供了一种金刚石压腔高温高压实验用金属垫片及其制造方法，该金属垫片包括垫片本体，所述垫片本体的中心开设有用作样品腔的通孔，所述垫片本体的正反两面上均设置有密封结构，所述密封结构包括密封环槽与设置在所述密封环槽中的密封圈，所述密封环槽环绕在所述通孔的外围且与所述通孔同圆心，所述密封圈高出所述垫片本体的表面。该金属垫片的正反两面上在通孔外围设置有密封结构，在实际使用时，密封结构中的密封圈可以与金刚石对顶砧密封接触，进而避免了结合面处发生泄露，大大提高了实验的成功率。

说明书

技术领域

本发明涉及金刚石压腔技术领域，特别地涉及一种金刚石压腔高温高压实验用金属垫片及其制造方法。

背景技术

近几十年来，金刚石压腔(DAC)技术被广泛应用于高温高压实验研究领域，它可以达到550GP的压力和6000K的温度。与其他静高压实验技术(大压力机、高压釜等)相比，金刚石压腔也具有独特的优势，它不仅可以进行极端温度压力条件下物质的结构性质、相变及状态方程等研究，而且可以原位观测整个实验过程。

以上实验的成功关键是在实验过程中金刚石对顶砧和金属垫片之间不能发生压力泄漏，这对实验的进样装样要求非常高，一些肉眼察觉不到的不平整和压力些许不均衡的差异都会导致结合面上发生泄漏，打破了原有的平衡体系，导致实验失败。实际操作过程中金刚石压腔高温高压实验成功率是偏低的，普遍低于10％。

因此，需要设计一种高效安全的金属垫片，起到在高温高压条件下避免金刚石对顶砧和金属垫片的接触面发生泄漏的作用，提高实验的成功率，提高安全系数，从而大大增加工作效率和节约时间成本。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种金刚石压腔高温高压实验用金属垫片及其制造方法，通过在金属垫片上成型出密封圈，进而可以在配合金刚石对顶砧时来保证接触面的密封性。

本发明提供的一种金刚石压腔高温高压实验用金属垫片，包括垫片本体，所述垫片本体的中心开设有用作样品腔的通孔，所述垫片本体的正反两面上均设置有密封结构，所述密封结构包括密封环槽与设置在所述密封环槽中的密封圈，所述密封环槽环绕在所述通孔的外围且与所述通孔同圆心，所述密封圈高出所述垫片本体的表面。

在一个实施方式中，所述密封圈的材料采用纯度为999‰的黄金。

在一个实施方式中，所述密封圈的内径大于所述通孔的直径、外径小于金刚石压腔的金刚石对顶砧的砧面直径。

本发明还提供了上述金属垫片的制造方法，包括以下步骤：

步骤一、将原料金属片加工成厚度减小的金属薄片，裁剪所述金属薄片得到金属垫片；

步骤二、在所述金属垫片的中心加工出通孔；

步骤三、在所述金属垫片的正反两面上分别加工出密封环槽；

步骤四、在所述金属垫片一侧表面上的密封环槽处安装模具，将密封材料融化后注入至所述密封环槽与所述模具围成的成型腔中，所述成型腔中的密封材料冷却固化形成密封圈；

步骤五、采用与步骤四相同的方法在所述金属垫片的另一侧表面上加工出密封圈。

在一个实施方式中，所述原料金属片加工成所述金属薄片的加工方式采用滚轧。

在一个实施方式中，所述通孔的加工方式采用冲压。

在一个实施方式中，所述密封环槽的加工方式采用激光蚀刻。

在一个实施方式中，步骤四中，在所述密封圈成型后，取下所述模具并将所述密封圈的顶部打磨平整。

在一个实施方式中，所述模具包括内膜与外模，所述内膜与所述外模之间具有与所述密封环槽的形状大小相同的环形空隙，所述环形空隙与所述密封环槽内部空间组成所述成型腔。

在一个实施方式中，所述模具采用的材料与所述金属垫片的材料相同。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明提供的一种金刚石压腔高温高压实验用金属垫片及其制造方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

本发明的金属垫片在其正反两面的表面上设置有密封圈，该密封圈在实际实验时可与金刚石压腔中的金刚石对顶砧紧密接触，进而保证了接触面的密封性，也就实现了作为样品腔的通孔的密封性，从而有效避免了在实验过程中样品腔泄露问题的发生，提高了实验的成功率。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明的金属垫片的结构的俯视图；

图2显示了本发明的金属垫片的横截面的结构示意图；

图3显示了本发明的金属垫片与金刚石对顶砧实际配合的整体结构示意图；

图4显示了本发明的制造方法的流程图；

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

附图标记：

1-垫片本体，2-通孔，3-密封结构，31-密封圈，32-密封环槽，4-金刚石对顶砧，41-上砧，42-下砧。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如附图图1与图2所示，本发明的一种金刚石压腔高温高压实验用金属垫片，包括垫片本体1，垫片本体1的中心开设有用作样品腔的通孔2，垫片本体1的正反两面上均设置有密封结构3，密封结构3包括密封环槽32与设置在密封环槽32中的密封圈31，密封环槽32环绕在通孔2的外围且与通孔2同圆心，密封圈31高出垫片本体1的表面。

具体地，金属垫片在实际使用时的状态如附图图3所示，金刚石对顶砧4包括上砧41与下砧42。使用时，先将垫片本体1放置在下砧42顶部的砧面上，并使密封圈31的中心与下砧42顶面中心同心，而后在外部压力装置的作用下，上砧41下行与下砧42配合夹紧垫片本体1，上砧41与下砧42的砧面分别与垫片本体1正反两面的密封圈31紧密接触，实现接触面的密封，进而保持作为样品腔的通孔2的密封性。

需要说明的是，密封圈31高出垫片本体1的表面，为的是能够与金刚石对顶砧4紧密接触，且密封圈31所采用的材料需要具备一定的形变能力，由于密封圈31在实际实验过程中会在高温高压状态下与溶液有接触，所以一般采用性质稳定的金属材料制成。同时，密封圈31高出垫片本体1表面的高度不宜过大，使其略高于垫片本体1的表面即可。

优选地，密封圈31的材料采用纯度为999‰的黄金。黄金具有非常良好的导热性、延展性和金属惰性，其熔点高且基本不会和大多数溶液发生反应。并且由于其良好的延展性，在高温高压环境下能更好的贴合在金刚石对顶砧和金属垫片之间起到一个金属密封环的作用。

在一个实施例中，密封圈31的内径大于通孔2的直径、外径小于金刚石压腔的金刚石对顶砧4的砧面直径。

具体地，如附图图4所示，密封圈31位于通孔2与金刚石对顶砧4外侧边缘之间，这样金刚石对顶砧4的砧面可以与密封圈31有良好的接触，进而保证接触面的密封性。

本发明的一种上述金属垫片的制造方法，包括以下步骤：

步骤一、将原料金属片采用滚轧加工成厚度减小的金属薄片，裁剪金属薄片得到金属垫片；金属薄片的形状随意，只是其大小需要大于金刚石压腔采用的金刚石对顶砧。

步骤二、在金属垫片的中心采用冲压加工出通孔；

步骤三、在金属垫片的正反两面上分别采用激光蚀刻加工出密封环槽；

步骤四、在金属垫片一侧表面上的密封环槽处安装模具，将密封材料融化后注入至密封环槽与模具围成的成型腔中，成型腔中的密封材料冷却固化形成密封圈，后取下模具并将密封圈的顶部打磨平整，并且使打磨后的密封圈的顶部略高于金属垫片的表面；

步骤五、采用与步骤四相同的方法在金属垫片的另一侧表面上加工出密封圈。

步骤一中金属薄片的裁剪形状随意，只是大小需要大于金刚石压腔采用的金刚石对顶砧的砧面大小。

以上其他具体的机加工手段可以根据实际情况进行适应性的选择，但是在金属垫片加工出密封环槽基本还是采用激光蚀刻，因为金属垫片大小、厚度都较小，常规的机加工手段难以施展。

在一个实施例中，模具包括内膜与外模，内膜与外模之间具有与密封环槽的形状大小相同的环形空隙，环形空隙与密封环槽内部空间组成成型腔。

具体地，环形空隙位于密封环槽内部空间的上方，实现密封圈高出金属垫片表面的部分的成型。该模具可以重复使用。

优选地，模具采用的材料与金属垫片的材料相同。这样二者的物理、化学性质完全相同，有利于密封圈的成型，例如二者的膨胀系数相同，融化后的高温密封材料注入成型腔中引起的模具与金属垫片的膨胀程度相同，密封圈的成型形状、结构不会因为膨胀程度不相同而被改变。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。