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叶蜡石流变学与六面顶超高压技术研究

郑日升  
【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。论文提出了六面顶超高压技术“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.首次对六面顶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顶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.实验发现在六面顶超高压腔体内,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。六面顶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,对六面顶超高压装置设计、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。


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