高温高压实验平台

高温高压实验简介

  高温高压实验是研究地球及行星内部物质组成及结构的重要手段。高温高压实验设备在地学领域通常用于模拟地球(行星)深部环境,通过将试样置于与地球(行星)深部相似的高温度高压力极端环境下进行反应或者测定,以模拟和重现极端环境下的的岩石、矿物、结构以及对应的物理化学参数,进而与自然环境进行参照和比对,从而反映自然环境中地球(行星)深部的物质组成、内部构造及地质历史。另外高温高压实验手段在材料学、物理学等领域也有广泛的应用。

  高温设备在不同的实验室十分常见,如常见的硅钼棒马弗炉即可产生约1700℃的高温,但高压设备目前在国内较为稀少。高温高压设备通常使用超硬材料(金刚石/硬质合金)作为顶砧/容器将压力施加于样品,其压强大小取决于施加压力、接触面积及顶砧硬度。目前高压设备的压强上限主要受制于超硬材料的性能,为了达到仪器所能达到的极限压力我们通常需要使用更硬的材料作为顶砧,而这意味着更为高昂的成本,因此实验需根据需要选择合适的顶砧材料。

实验平台概况

  高温高压实验平台隶属于中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室。最初为熊小林研究员的活塞圆筒实验室及宋茂双研究员的高温高压流变仪实验室,主要研究方向为微量元素分配系数及岩石流变学性质。2017年中科院广州地球化学研究所成建制地引进并搬迁了原日本东京工业大学高桥荣一教授的“Magma Factory”实验室,其后又进一步引进人才购买仪器形成现有的规模。

  实验平台目前拥有三台六面顶压机(UHP-2500、SPI-1000、LPRU-1000)、四台活塞圆筒(Rockland-250、日产250、LPC-250*2)、一台流变仪(Paterson气体介质高温高压流变仪)、一台真空型傅里叶变换红外光谱仪,以及辅助上述仪器使用的车床、气体混合炉、马弗炉、切割机等等设备。可以实现的温压范围从0.5~25GPa、800~2000℃,基本覆盖从中下地壳到下地幔顶部的研究需要。实验平台目前主要进行地球/行星深部条件下的岩石/矿物模拟合成,主要应用包括模拟部分熔融、矿物合成、高温高压相平衡、微量元素分配、流体-岩石矿物交互作用、岩石-矿物流变学等等。

  实验平台面向国内外地球与行星科学领域的科研人员和研究生开放,主要服务于固体地球与行星科学领域研究。由于高压设备具有一定的危险性,同时实验成功率依赖于实验者的操作水平,因此无高温高压实验经验者需经过至少一个月的上机培训合格后才能独立上机。原则上不接受少量样品的合成实验,不提供代做实验服务。

仪器介绍

1. UHP-2500六面顶压机

生产商:日本住友集团(Sumitomo),型号:UHP-2500

  Cubic型六面顶压机,压机本身可以提供最高2500吨的压力,通过配合不同尺寸的顶砧切角及其他相应配件,可以对样品施加约4~25GPa的压强,通常配合铬酸镧发热体可以升温至约1800℃,若配合金属铼发热体可以加温至约2500℃。仪器配备25M-15、18M-11、14M-8、10M-5和8M-3共五种组装尺寸。可容纳样品体积随组装尺寸不同在Φ5mm*L5mm到Φ1mm*L1mm之间,可使用的最大尺寸约为Φ5mm*L5mm,与活塞圆筒相似,在此尺寸下样品最高可以到达约10GPa的压强。

2. SPI-1000六面顶压机

生产商:日本住友集团(Sumitomo),型号:SPI-1000

  Kawayi型六面顶压机,压机本身可以提供最高1000吨的压力,通过配合不同尺寸的顶砧切角及其他相应配件,可以对样品施加约6~18GPa的压强,通常配合铬酸镧发热体可以升温至约1800℃,若配合金属铼发热体可以加温至约2500℃。仪器配备18M-11、14M-8、10M-5和8M-3共四种组装尺寸。可容纳样品体积随组装尺寸不同在Φ3mm*L5mm到Φ1mm*L1mm之间。

3. LPRU1000六面顶压机

生产商:德国沃根瑞特(Max Voggenreiter),型号:LPRU-1000

  Cubic型六面顶压机,压机本身可以提供最高1000吨的压力,通过配合不同尺寸的顶砧切角及其他相应配件,可以对样品施加约6~18GPa的压强,通常配合铬酸镧发热体可以升温至约1800℃,若配合金属铼发热体可以加温至约2500℃。仪器配备18M-11、14M-8、10M-5和8M-3共四种组装尺寸。可容纳样品体积随组装尺寸不同在Φ3mm*L5mm到Φ1mm*L1mm之间。

4. Rockland250吨活塞圆筒

生产商:美国Rockland公司,型号:Rockland250

  活塞圆筒,通过硬质合金活塞挤压处于硬质合金缸(压力盘)中的样品产生高压。配有13mm和19mm(1/2inch和3/4inch)两种尺寸的活塞和压力盘,极限压力分别可以到达约3.5和2GPa,由于极限压力时压力盘易破,通常使用压力低于2.5和1.5GPa。仪器使用石墨加热炉。极限温度可以大于1600℃,同样出于保护仪器的目的,通常不加热超过1300℃。13mm和19mm尺寸的样品大小分别约小于Φ3mm*L8mm到Φ5mm*L8mm。

5. LPC250活塞圆筒*2

生产商:德国沃根瑞特(Max Voggenreiter),型号:LPC250

  活塞圆筒,通过硬质合金活塞挤压处于硬质合金缸(压力盘)中的样品产生高压。该型号活塞圆筒目前在本高温高压实验室有两台。配有13mm和19mm(1/2inch和3/4inch)两种尺寸的活塞和压力盘,极限压力分别可以到达约3.5和2GPa,由于极限压力时压力盘易破,通常使用压力低于2.5和1.5GPa。仪器使用石墨加热炉。极限温度可以大于1600℃,同样出于保护仪器的目的,通常不加热超过1300℃。13mm和19mm尺寸的样品大小分别约小于Φ3mm*L8mm到Φ5mm*L8mm。

6. 日产250活塞圆筒

生产商:东京工业大学自研,型号:250吨

  该活塞圆筒生产于上世纪六十年代,是全球最早的几台活塞圆筒之一。该活塞圆筒制造时相关技术还未定型,许多部件都是研制者自行设计加工的,因此设备集成度不高,外形看起来也十分简陋,但其核心原理已经与现在的活塞圆筒完全一致,使用效果也没有差别,目前运行装还仍十分良好。唯一缺陷为加压需手动控制,精度相对不高且操作较为耗费体力。

  具体温压条件和尺寸与其他几台活塞圆筒完全一致。配有13mm和19mm(1/2inch和3/4inch)两种尺寸的活塞和压力盘,极限压力分别可以到达约3.5和2GPa,由于极限压力时压力盘易破,通常使用压力低于2.5和1.5GPa。仪器使用石墨加热炉。极限温度可以大于1600℃,同样出于保护仪器的目的,通常不加热超过1300℃。13mm和19mm尺寸的样品大小分别约小于Φ3mm*L8mm到Φ5mm*L8mm。

7. 真空型傅里叶变换红外光谱仪

生产商:日本分光株式会社(JASCO),型号:IRT-5000,FT/IR-6100

  该红外光谱仪在FT/IR-6100型号光谱仪的基础上,增加了IRT-5000型真空显微系统。因此可以将样品置于真空环境下进行测试,以消除空气中水及二氧化碳对测试结果的影响,其测试的水含量可以精确至十几ppm。仪器同时具备偏光系统,可以测试特定方向上的红外光吸收系数。波数范围7800-350cm-1,信噪比45000:1,分辨率:0.4cm-1。

8. Paterson气体介质高温高压流变仪

生产商:澳大利亚科学仪器有限公司(Australia Scientific Instruments Pty Ltd),型号:HPT改进型

  澳大利亚国立大学的Mervyn Paterson教授设计并由澳大利亚ASI公司(Australia Scientific Instruments Pty Ltd)生产的高精度高温高压流变学实验装置,配置单轴压缩-拉伸变形、扭转变形和孔隙流体压力三种测试模块,最大轴向应力100KN,最大扭矩1000Nm,变形速率介于10-3~10-7s-1范围,温度压力范围为室温-1600K和30-500MPa,可用来进行高温高压下的矿物和岩石的热压合成、轴向和扭转变形条件下的流变学性质测试以及渗透率测量,实验条件(压力、温度、化学环境、应力、应变速率、孔隙流体压力等)精确可控,实验结果用于探讨地震成因、板块运动、地幔对流、克拉通破坏等诸多基本地质过程的动力学机制问题

实验室成员

李立,工程师,负责活塞圆筒及六面顶压机和红外光谱仪的日常运行维护。

  电话:13760707491         Email:lili@gig.ac.cn        办公室:同位素楼404室

李建峰,工程师,负责高温高压流变仪的日常运行维护。

  电话:18520377070         Email:ljf@gig.ac.cn         办公室:同位素楼404室

收费标准

序号 

 

仪器

 测试项目

收费标准

备注

其他说明

 1

 活塞圆筒

高温高压矿物合成

 每个3000元,运行时间超过1天的超出部分每天加1000元

 以天计费,已包含常用耗材,贵金属样品管需自备

上机请提前联系以确认实验细节及是否可以进行实验;无操作经验者需经过至少两个星期培训并经管理员许可后方可上机;原则上不接受少量样品合成实验 

 2

 大压机

 高温高压矿物合成

每个5000元,运行时间超过1天的超出部分每天加1000元

 以天计费,已包含常用耗材,贵金属样品管需自备

 上机请提前联系以确认实验细节及是否可以进行实验;无操作经验者需经过至少两个星期培训并经管理员许可后方可上机;原则上不接受少量样品合成实验

 3

 Paterson高温高压流变仪

 岩石流变性质测定

 每个5000元,运行时间超过1天的超出部分每天加2000元

 以天计费,已包含常用耗材

 上不接受少量样品合成实验

 4

 傅里叶变换红外光谱仪

 矿物/玻璃水含量测试

每天2000元

 以天计费,已包含常用耗材

 

  样品需自行打磨至适合厚度

 

 

欢迎来访:

  广东省广州市天河区科华街511号 中国科学院广州地球化学研究所 图情楼一楼东侧(科普馆左侧玻璃门内,UHP-2500六面顶压机、SPI-1000六面顶压机、日产250吨活塞圆筒、沃根瑞特LPRU1000六面顶压机、沃根瑞特LPC250活塞圆筒和真空型傅里叶变换红外光谱仪),矿物楼102(Rockland250吨活塞圆筒) 联系电话:13760707491