Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

При очень высоких давлениях применяется твердая передающая давление среда, в качестве которой для создания квазигидростатического распределения напряжений используются материалы с низким коэффициентом внутреннего трения: пирофиллит, тальк, хлористое серебро, нитрид бора, для низких температур - фторопласт. Постепенно вытекая через зазоры, эти материалы одновременно создают отличное уплотнение полости высокого давления.

Простейший твердофазный аппарат - наковальни Бриджмена. Образец устанавливается между двумя поршнями (пуансонами) по их оси и окружается кольцевой прокладкой. При сближении поршней, на которые действует усилие мощного гидравлического пресса, прокладка сминается и начинает выдавливаться из зазора между наковальнями. Силы трения в ней на контактах с наковальней уравновешивают созданное давление. При этом устанавливается радиальный градиент давления, максимальный в центре и резко убывающий до атмосферного в нижней части прокладки.

В поршне сжатие под действием давления приводит к сдвиговым напряжениям, в результате может произойти его разрушение. Максимальное осевое давление на поршни из твердых сплавов составляет примерно 50 кбар.

Рис. 111. Развитие идей в конструировании твердофазной аппаратуры высоких давлений.

Более высоких давлений удалось достигнуть, используя эмпирические закономерности, следующие из опыта работы на аппаратах высокого давления. Эволюция инженерной мысли при достижении все более высоких давлений, улучшения гидростатичности в рабочей камере и увеличения ее объема прослеживается на последовательных схемах аппаратов на рис. 111 и трех последующих.

Прежде всего, оказалось, что выдерживаемая поршнем осевая нагрузка сильно зависит от его формы. Поршни в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды выдерживают значительно большие давления, чем изготовленные в виде цилиндра. Нагружаемая часть поршня должна быть значительно (примерно в 10 раз) меньше его поперечного сечения. Это уже рассмотренный конструкционный принцип массивной поддержки. На наковальнях Бриджмена могут быть получены давления до 400 кбар.

Применение в качестве материала пуансонов самого лучшего материала в природе - монокристаллов алмаза - позволяет достигнуть на наковальнях 1,7 мегабара. При этом прозрачность алмазов для многих типов излучений используется, во первых, для нагрева навески лучом лазера, и, во-вторых, для регистрации фазовых превращений во время самого опыта.

Однако толщина прокладки при использовании наковален составляет 0.1 - 0.2 мм, и объем рабочей камеры чрезвычайно мал (рис. 111а).

Полезный объем камеры можно сделать больше, если увеличить высоту ее центральной части по сравнению с запирающей периферийной. Подобная конструкция широко используется и носит название "наковальни с лункой", или камера типа "чечевица" (рис. 111б). Однако периферийная часть прокладки, запирая камеру, одновременно не дает поршням необходимого сжимающего хода и препятствует росту давления в центре. Добиться увеличения сжимающего хода по сравнению с уменьшением толщины прокладки удалось, применив чашеобразную камеру с конической прокладкой. На рис. 111в видно, что при сжимающем ходе толщина конусной прокладки убывает на величину a = h Sin , поэтому контейнер с образцом получает возможность сжиматься до больших давлений. Дальнейшее развитие рассмотренных принципов привело к созданию аппарата типа "белт" (рис. 111г), состоящего из двух поддержанных конических поршней, уплотненных коническими прокладками, и цилиндрической части - мощного пояса из поддерживающих друг друга колец. Принципы упрочнения цилиндрической камеры были рассмотрены выше. На белт - аппаратах получают давление до 150 кбар.

На белт-аппарате был впервые синтезирован алмаз.

Рис. 112. Камера типа цилиндр - поршень.

Принципиально сходна по конструкции с белт - аппаратом, но более проста и распространена система цилиндр-поршень (piston-cilinder; рис. 112). Поскольку в ней используется цилиндрический неподдержанный поршень, максимальные рабочие давления в камерах не превышают 40 кбар.

Рис. 113. Многопуансонные аппараты

Предельная величина давления в камерах типа цилиндр - поршень и "белт" лимитируется прежде всего необходимостью поддержки растягивающих напряжений в цилиндрической камере. Поэтому другой важный конструкционный принцип, выработанный в процессе работы с аппаратами высокого давления, - замена растягивающих напряжений сжимающими. На этом принципе были созданы камеры, стенками которых служат симметрично расположенные в пространстве и упрочненные поршни. Самым простым симметричным расположением является система из двух соосных поршней, как это рассмотрено выше на примерах наковален Бриджмена, белт - аппарата и др. Последовательное применение принципа осуществлено на многопуансонных аппаратах, поршни которых располагаются по граням правильных многогранников (тетраэдра, куба, октаэдра, рис. 113). Равномерное сдвижение поршней осуществляется синхронно работающими несколькими гидравлическими прессами или может быть осуществлено одним прессом. Многопуансонные аппараты позволяют достичь давлений 100 кбар. Одновременно увеличивается объем рабочей камеры (до 0.4 л), давление становится более гидростатичным, т.е. снижаются градиенты давления.

Рис. 114. Двухступенчатый аппарат типа цилиндр - поршень (Попова, Бенделиани, 1974).

Принципиально иной путь увеличения рабочего давления - это создание многоступенчатых аппаратов, состоящих из нескольких камер высокого давления, помещенных одна в другую (принцип "матрешки"). Максимальное давление достигается во внутренней камере, а стенки цилиндров и поршни испытывают лишь разность давлений. На двухступенчатом аппарате цилиндр - поршень (рис. 114) достигнуто давление 100 кбар.

Рекордное давление 2 Мбар было получено на "разрезной сферической многокаскадной многопоршневой установке" в лаборатории университета г.Осака ( Япония). Образец сжимается по граням октаэдра восемью поршнями, образующими вместе разрезной куб. Последний помещается в разрезную сферу, состоящую из шести поршней. Сфера помещается в масляный резервуар. Масло сжимается насосом. Ряд исследователей считают, что за подобными установками будущее, хотя они требуют несравненно большей точности и затрат труда, чем распространенные установки цилиндр - поршень и наковальни с лункой.