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高溫高壓實(shí)驗平臺

高溫高壓實(shí)驗簡(jiǎn)介

  高溫高壓實(shí)驗是研究地球及行星內部物質(zhì)組成及結構的重要手段。高溫高壓實(shí)驗設備在地學(xué)領(lǐng)域通常用于模擬地球(行星)深部環(huán)境,通過(guò)將試樣置于與地球(行星)深部相似的高溫度高壓力極端環(huán)境下進(jìn)行反應或者測定,以模擬和重現極端環(huán)境下的的巖石、礦物、結構以及對應的物理化學(xué)參數,進(jìn)而與自然環(huán)境進(jìn)行參照和比對,從而反映自然環(huán)境中地球(行星)深部的物質(zhì)組成、內部構造及地質(zhì)歷史。另外高溫高壓實(shí)驗手段在材料學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛的應用。

  高溫設備在不同的實(shí)驗室十分常見(jiàn),如常見(jiàn)的硅鉬棒馬弗爐即可產(chǎn)生約1700℃的高溫,但高壓設備目前在國內較為稀少。高溫高壓設備通常使用超硬材料(金剛石/硬質(zhì)合金)作為頂砧/容器將壓力施加于樣品,其壓強大小取決于施加壓力、接觸面積及頂砧硬度。目前高壓設備的壓強上限主要受制于超硬材料的性能,為了達到儀器所能達到的極限壓力我們通常需要使用更硬的材料作為頂砧,而這意味著(zhù)更為高昂的成本,因此實(shí)驗需根據需要選擇合適的頂砧材料。

實(shí)驗平臺概況

  高溫高壓實(shí)驗平臺隸屬于中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室。最初為熊小林研究員的活塞圓筒實(shí)驗室及宋茂雙研究員的高溫高壓流變儀實(shí)驗室,主要研究方向為微量元素分配系數及巖石流變學(xué)性質(zhì)。2017年中科院廣州地球化學(xué)研究所成建制地引進(jìn)并搬遷了原日本東京工業(yè)大學(xué)高橋榮一教授的“Magma Factory”實(shí)驗室,其后又進(jìn)一步引進(jìn)人才購買(mǎi)儀器形成現有的規模。

  實(shí)驗平臺目前擁有三臺六面頂壓機(UHP-2500、SPI-1000、LPRU-1000)、四臺活塞圓筒(Rockland-250、日產(chǎn)250、LPC-250*2)、一臺流變儀(Paterson氣體介質(zhì)高溫高壓流變儀)、一臺真空型傅里葉變換紅外光譜儀,以及輔助上述儀器使用的車(chē)床、氣體混合爐、馬弗爐、切割機等等設備??梢詫?shí)現的溫壓范圍從0.5~25GPa、800~2000℃,基本覆蓋從中下地殼到下地幔頂部的研究需要。實(shí)驗平臺目前主要進(jìn)行地球/行星深部條件下的巖石/礦物模擬合成,主要應用包括模擬部分熔融、礦物合成、高溫高壓相平衡、微量元素分配、流體-巖石礦物交互作用、巖石-礦物流變學(xué)等等。

  實(shí)驗平臺面向國內外地球與行星科學(xué)領(lǐng)域的科研人員和研究生開(kāi)放,主要服務(wù)于固體地球與行星科學(xué)領(lǐng)域研究。由于高壓設備具有一定的危險性,同時(shí)實(shí)驗成功率依賴(lài)于實(shí)驗者的操作水平,因此無(wú)高溫高壓實(shí)驗經(jīng)驗者需經(jīng)過(guò)至少一個(gè)月的上機培訓合格后才能獨立上機。原則上不接受少量樣品的合成實(shí)驗,不提供代做實(shí)驗服務(wù)。

儀器介紹

1. UHP-2500六面頂壓機

生產(chǎn)商:日本住友集團(Sumitomo),型號:UHP-2500

  Cubic型六面頂壓機,壓機本身可以提供最高2500噸的壓力,通過(guò)配合不同尺寸的頂砧切角及其他相應配件,可以對樣品施加約4~25GPa的壓強,通常配合鉻酸鑭發(fā)熱體可以升溫至約1800℃,若配合金屬錸發(fā)熱體可以加溫至約2500℃。儀器配備25M-15、18M-11、14M-8、10M-5和8M-3共五種組裝尺寸??扇菁{樣品體積隨組裝尺寸不同在Φ5mm*L5mm到Φ1mm*L1mm之間,可使用的最大尺寸約為Φ5mm*L5mm,與活塞圓筒相似,在此尺寸下樣品最高可以到達約10GPa的壓強。

2. SPI-1000六面頂壓機

生產(chǎn)商:日本住友集團(Sumitomo),型號:SPI-1000

  Kawayi型六面頂壓機,壓機本身可以提供最高1000噸的壓力,通過(guò)配合不同尺寸的頂砧切角及其他相應配件,可以對樣品施加約6~18GPa的壓強,通常配合鉻酸鑭發(fā)熱體可以升溫至約1800℃,若配合金屬錸發(fā)熱體可以加溫至約2500℃。儀器配備18M-11、14M-8、10M-5和8M-3共四種組裝尺寸??扇菁{樣品體積隨組裝尺寸不同在Φ3mm*L5mm到Φ1mm*L1mm之間。

3. LPRU1000六面頂壓機

生產(chǎn)商:德國沃根瑞特(Max Voggenreiter),型號:LPRU-1000

  Cubic型六面頂壓機,壓機本身可以提供最高1000噸的壓力,通過(guò)配合不同尺寸的頂砧切角及其他相應配件,可以對樣品施加約6~18GPa的壓強,通常配合鉻酸鑭發(fā)熱體可以升溫至約1800℃,若配合金屬錸發(fā)熱體可以加溫至約2500℃。儀器配備18M-11、14M-8、10M-5和8M-3共四種組裝尺寸??扇菁{樣品體積隨組裝尺寸不同在Φ3mm*L5mm到Φ1mm*L1mm之間。

4. Rockland250噸活塞圓筒

生產(chǎn)商:美國Rockland公司,型號:Rockland250

  活塞圓筒,通過(guò)硬質(zhì)合金活塞擠壓處于硬質(zhì)合金缸(壓力盤(pán))中的樣品產(chǎn)生高壓。配有13mm和19mm(1/2inch和3/4inch)兩種尺寸的活塞和壓力盤(pán),極限壓力分別可以到達約3.5和2GPa,由于極限壓力時(shí)壓力盤(pán)易破,通常使用壓力低于2.5和1.5GPa。儀器使用石墨加熱爐。極限溫度可以大于1600℃,同樣出于保護儀器的目的,通常不加熱超過(guò)1300℃。13mm和19mm尺寸的樣品大小分別約小于Φ3mm*L8mm到Φ5mm*L8mm。

5. LPC250活塞圓筒*2

生產(chǎn)商:德國沃根瑞特(Max Voggenreiter),型號:LPC250

  活塞圓筒,通過(guò)硬質(zhì)合金活塞擠壓處于硬質(zhì)合金缸(壓力盤(pán))中的樣品產(chǎn)生高壓。該型號活塞圓筒目前在本高溫高壓實(shí)驗室有兩臺。配有13mm和19mm(1/2inch和3/4inch)兩種尺寸的活塞和壓力盤(pán),極限壓力分別可以到達約3.5和2GPa,由于極限壓力時(shí)壓力盤(pán)易破,通常使用壓力低于2.5和1.5GPa。儀器使用石墨加熱爐。極限溫度可以大于1600℃,同樣出于保護儀器的目的,通常不加熱超過(guò)1300℃。13mm和19mm尺寸的樣品大小分別約小于Φ3mm*L8mm到Φ5mm*L8mm。

6. 日產(chǎn)250活塞圓筒

生產(chǎn)商:東京工業(yè)大學(xué)自研,型號:250噸

  該活塞圓筒生產(chǎn)于上世紀六十年代,是全球最早的幾臺活塞圓筒之一。該活塞圓筒制造時(shí)相關(guān)技術(shù)還未定型,許多部件都是研制者自行設計加工的,因此設備集成度不高,外形看起來(lái)也十分簡(jiǎn)陋,但其核心原理已經(jīng)與現在的活塞圓筒完全一致,使用效果也沒(méi)有差別,目前運行裝還仍十分良好。唯一缺陷為加壓需手動(dòng)控制,精度相對不高且操作較為耗費體力。

  具體溫壓條件和尺寸與其他幾臺活塞圓筒完全一致。配有13mm和19mm(1/2inch和3/4inch)兩種尺寸的活塞和壓力盤(pán),極限壓力分別可以到達約3.5和2GPa,由于極限壓力時(shí)壓力盤(pán)易破,通常使用壓力低于2.5和1.5GPa。儀器使用石墨加熱爐。極限溫度可以大于1600℃,同樣出于保護儀器的目的,通常不加熱超過(guò)1300℃。13mm和19mm尺寸的樣品大小分別約小于Φ3mm*L8mm到Φ5mm*L8mm。

7. 真空型傅里葉變換紅外光譜儀

生產(chǎn)商:日本分光株式會(huì )社(JASCO),型號:IRT-5000,FT/IR-6100

  該紅外光譜儀在FT/IR-6100型號光譜儀的基礎上,增加了IRT-5000型真空顯微系統。因此可以將樣品置于真空環(huán)境下進(jìn)行測試,以消除空氣中水及二氧化碳對測試結果的影響,其測試的水含量可以精確至十幾ppm。儀器同時(shí)具備偏光系統,可以測試特定方向上的紅外光吸收系數。波數范圍7800-350cm-1,信噪比45000:1,分辨率:0.4cm-1。

8. Paterson氣體介質(zhì)高溫高壓流變儀

生產(chǎn)商:澳大利亞科學(xué)儀器有限公司(Australia Scientific Instruments Pty Ltd),型號:HPT改進(jìn)型

  澳大利亞國立大學(xué)的Mervyn Paterson教授設計并由澳大利亞ASI公司(Australia Scientific Instruments Pty Ltd)生產(chǎn)的高精度高溫高壓流變學(xué)實(shí)驗裝置,配置單軸壓縮-拉伸變形、扭轉變形和孔隙流體壓力三種測試模塊,最大軸向應力100KN,最大扭矩1000Nm,變形速率介于10-3~10-7s-1范圍,溫度壓力范圍為室溫-1600K和30-500MPa,可用來(lái)進(jìn)行高溫高壓下的礦物和巖石的熱壓合成、軸向和扭轉變形條件下的流變學(xué)性質(zhì)測試以及滲透率測量,實(shí)驗條件(壓力、溫度、化學(xué)環(huán)境、應力、應變速率、孔隙流體壓力等)精確可控,實(shí)驗結果用于探討地震成因、板塊運動(dòng)、地幔對流、克拉通破壞等諸多基本地質(zhì)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)機制問(wèn)題

實(shí)驗室成員

李立,工程師,負責活塞圓筒及六面頂壓機和紅外光譜儀的日常運行維護。

  電話(huà):13760707491         Email:lili@gig.ac.cn        辦公室:同位素樓404室

李建峰,工程師,負責高溫高壓流變儀的日常運行維護。

  電話(huà):18520377070         Email:ljf@gig.ac.cn         辦公室:同位素樓404室

收費標準

序號 

 

儀器

 測試項目

收費標準

備注

其他說(shuō)明

 1

 活塞圓筒

高溫高壓礦物合成

 每個(gè)3000元,運行時(shí)間超過(guò)1天的超出部分每天加1000元

 以天計費,已包含常用耗材,貴金屬樣品管需自備

上機請提前聯(lián)系以確認實(shí)驗細節及是否可以進(jìn)行實(shí)驗;無(wú)操作經(jīng)驗者需經(jīng)過(guò)至少兩個(gè)星期培訓并經(jīng)管理員許可后方可上機;原則上不接受少量樣品合成實(shí)驗 

 2

 大壓機

 高溫高壓礦物合成

每個(gè)5000元,運行時(shí)間超過(guò)1天的超出部分每天加1000元

 以天計費,已包含常用耗材,貴金屬樣品管需自備

 上機請提前聯(lián)系以確認實(shí)驗細節及是否可以進(jìn)行實(shí)驗;無(wú)操作經(jīng)驗者需經(jīng)過(guò)至少兩個(gè)星期培訓并經(jīng)管理員許可后方可上機;原則上不接受少量樣品合成實(shí)驗

 3

 Paterson高溫高壓流變儀

 巖石流變性質(zhì)測定

 每個(gè)5000元,運行時(shí)間超過(guò)1天的超出部分每天加2000元

 以天計費,已包含常用耗材

 上不接受少量樣品合成實(shí)驗

 4

 傅里葉變換紅外光譜儀

 礦物/玻璃水含量測試

每天2000元

 以天計費,已包含常用耗材

 

  樣品需自行打磨至適合厚度

 

 

歡迎來(lái)訪(fǎng):

  廣東省廣州市天河區科華街511號 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 圖情樓一樓東側(科普館左側玻璃門(mén)內,UHP-2500六面頂壓機、SPI-1000六面頂壓機、日產(chǎn)250噸活塞圓筒、沃根瑞特LPRU1000六面頂壓機、沃根瑞特LPC250活塞圓筒和真空型傅里葉變換紅外光譜儀),礦物樓102(Rockland250噸活塞圓筒) 聯(lián)系電話(huà):13760707491