超高壓設備

近代人造金剛石的成功是超高壓高温技術發展的結果，而人造金剛石的發展又更進一步促進了超高壓高温技術的發展。

我國的分類法把100MPa以上的壓力規定為超高壓，近代的高壓技術已經獲得了超過361GPa的高壓，而超高速衝擊試驗還可獲得更高的壓強。在高壓下，元素或化合物的結構會因原子間距和配位數的改變而發生變化。這種變化可以是可逆的。也可以是不可逆的，有些高壓高温下形成的相還可保留到大氣壓下，如金剛石和氮化硼。因此，隨着高壓技術的進步，有可能見到更多的高壓現象，發現更新的材料。而利用超高壓技術所設計的設備在現在工業有着重要的運用。

目前生產聚晶金剛石和金剛石複合片的靜態超高壓設備有兩種類型：中國（包括少部分國外廠家）普遍採用鉸鏈式六面頂超高壓設備（六面頂壓機）作為生產聚晶金剛石和金剛石複合片主要機型；而國外則主要採用年輪式兩面頂超高壓設備（兩面頂壓機）作為生產該類產品的主要機型。

六面頂超高壓設備生產聚晶金剛石或金剛石複合片的優點是：（1）產生的壓力場更接近水靜壓力，合成腔內的應力場狀態更為合理；（2）機器工作效率高，設備造價相對低廉。缺點是：合成腔體大型化困難。

兩面頂超高壓設備生產聚晶金剛石或金剛石複合片的優點是：（1）壓力和温度的控制精度較高；（2）合成腔體大型化易於實現，適合於生產大尺寸產品或單次合成多個產品。缺點是：設備運行成本高。

在製造鑽探用金剛石複合片時六面頂壓機具有一定優勢；在生產直徑50～80mm的大尺寸刀具用金剛石複合片或大尺寸拉絲模用聚晶金剛石時採用兩面頂壓機更容易實現。

超高壓設備在結構形式上通常可分為：活塞—缸式（Piston—Cylinder簡稱PC型）、頂錘—向式（Anvil—Cylinder AC型）、對頂砧式（Opposed—Anvil OA型）、多頂錘式（Multiple—Anvil MA型）

和多頂錘滑動式（Multiple—Anvil—Sliding System MASS型）；MASS型又可分為旋轉型和非旋轉型兩類。下如《超高壓設備結構類型示意圖》所示是這5種類型。

圖中所示的5種超高壓設備結構類型的特點如下。

（1）PC型的活塞外部沒有支承，單向軸向受壓，極限壓力5GPa。

（2）AC型的頂錘和壓缸採用布里奇曼（Bridgman）大質量支承原理，受壓極限可達10GPa，改進後可達20GPa。

（3）OA型的頂錘採用大質量支承，通稱布里季曼對頂砧。硬質合金頂錘壓力極限20GPa，金剛石頂錘壓力極限170350GPa。

（4）MA型的多軸式結構，沒有壓缸，由頂錘圍成高壓腔，試樣多面受壓，極限壓力10GPa。

（5）MASS分兩種類型。R為旋轉型（Rotation R），滑塊之間相互支承，沒有間隙，試料可以無限壓縮，產生極高的壓力。I為不旋轉型（Irrotation），滑塊相互支承，兩塊向中心移動，另外兩塊向外移動，也可以產生高壓。

上述5種超高壓設備類型中只有AC、MA和OA型對合成超硬材料有實用價值。 ^[1] 

（1）超高壓設備密封結構

超高壓設備（壓力大於100MPa為超高壓），要求密封結構更加安全可靠。下面介紹幾種最常見的密封結構。

1）B形環密封（如圖《B形環結構》所示）

是一種自緊徑向密封。對連接結構的剛度要求低；適用於壓力和温度波動較大的場合。壓力越高，直徑越大，密封性能越好，結構簡單，裝拆方便。

但加工精度和表面粗糙度要求高，裝拆時要防止擦傷密封面而影響密封性能。

2）Bridgman密封（如圖《結構圖》所示）

是一種軸向自密封。內壓越高密封越可靠。結構簡單，加工方便，製造成本低。但佔據高壓空間大，螺紋負載大，易損壞。適用於較小直徑（內徑在Φ300mm以下）超高壓力（壓力在700MPa以下）的容器。目前已廣泛應用於超高壓容器。

（2）超高壓設備密封墊片設計計算

1）B形環的設計計算

① 材料的選擇。對B形環的材料沒有特殊要求，其硬度比簡體及頂(底j蓋密封面處的材料稍低。常用材料為20、25鋼。當設計壓力較高時，也可選用35、45鋼。

② 設計計算。目前，有關B形環的尺寸計算公式都是屬於半經驗半理論公式。按這些公式設計的高壓容器(通常指壓力在100MPa以下)所用的B形環密封是可靠的。100MPa以上超高壓容器中使用的B形環是否可以按上述公式進行設計計算呢?編者曾對目前正在使用的、而且證明密封效果良好的B形密封環進行了復算，其結果計算值與實際選用值之間偏離較大，因此，認為這個公式不適宜在超高壓條件下使用。

設計用於超高壓容器中的B形環時，最適用的辦法是首先按照經驗的積累，確定一系列尺寸值，然後再作一些試驗以證實其可靠後，再用於帶有介質的超高壓容器，設計確定有關尺寸。

2）Bridgman密封的設計計算

① 材料選擇 密封墊材料要求有足夠大的塑性變形特性和足夠大的彈性，常用材料有橡膠、聚四氟乙烯、黃銅、退火紫銅等；在工作温度、操作介質對容器有特殊要求時，可選用鋁、鉛、軟鋼、純鐵、不鏽鋼等材質。為了使墊片與容器壁具有良好的貼合性，可在墊片表面進行鍍銀處理。

由於這種密封的墊片，墊環的表面壓力很大，墊環應選用強度較高的材質，如40Cr、35CrM。等。

凸肩頭蓋，壓緊頂蓋是直接受力部件，因此可選用與簡體相同的材質，也可選用如34CrNi3MoA、35CrMo、40Cr等高強度鋼。

② 密封墊片計算 在保證密封條件下，內壓升起後，墊片上的擠壓應力能保證氣密，即墊片上的密封比壓大於墊片材料的屈服限。

擠壓應力值不能太高。太高時會將壓緊頂蓋及簡體的密封面壓壞。因此，設計時應取該值小於壓緊頂蓋鋼材的屈服點。壓環與頭蓋、簡體頂部的配合間隙以及凸肩頭蓋與筒體頂部的配合間隙應儘量小，以避免軟金屬製作的墊片，受壓後擠入周圍的間隙內，一般取0.05mm。

墊片的最終擠壓應力與內壓成正比，其比例係數是內壓作用的面積與墊片表面積之比，即

σ_p/p_d=A₂/A₁

式中 p_d——設計內壓力（MPa）；

σ_p——墊片表面擠壓應力（MPa）；

A₂——內壓作用面積（mm²）；

A₁——墊片表面積（mm²）。

Warschauer和Panl認為，如果A₁做的太大，那麼過大的承壓面積將壓不緊密封墊片，保證不了密封。如果A₁太小，墊片承受擠壓應力很大，且可能超過簡體器避的強度極限，使器避材料產生塑性流動，促使墊片膨脹被擠入筒體器壁5壓環間的間隙中，造成拆卸困難。建議取比值1.2～1.4。當工作壓力小時取上限值，當工作壓力大時取下限值（但必須滿足保證密封的兩個條件）。 ^[2] 

對於大多數工業裝置，根據砧座載荷利用壓力—載荷曲線圖來估算壓力，利斯進行了四面體壓力機的詳細計算，可供其它裝置計算時作參考。影響標定的主要因素使標定發生變化的因素為：

1．與砧座相比試樣體積過大。這控制了初始墊圈的寬度；

2．試樣容器和墊圈所用的材料。在某些情況下，墊圈可以用與試樣容器不同的材料預成型；

3．砧座材料也影響標定。這種影響與彈性性質之間的差別有關；

4．摩擦影響包括：（a）影響砧座一墊圈摩擦的砧座表面處理的差別（例如飾金磨粉或石墨塗料）；（b）砧座腔套摩擦的差別；（c）活塞一圓筒裝置中活塞一圓筒與試樣的磨擦；

5．試樣幾何形狀或材料的改變會使標定產生明顯的差別，估汁是由試樣容器中流動一應力模式的改變所引起的；

6．加載過程一向上向下衝程的標定將有所不同，並且連續的向上向下後，標定也有偏差。

7．試樣容器温度的變化將使標定改變。

從上面可以清楚地看到，標定應該認為是近似的，而且只與特殊的幾何形狀、試樣、温度等因素有關。更值得注意的是在工業過程中應該精確地重現標定的條件。 ^[3]