金刚石压砧：砧面直径与压强的关系和经验分享

以下内容引自郑海飞老师著《金刚石压腔高温高压实验技术及应用》

       根据力学原理，在实验过程中金刚石顶砧最易破裂的部位是其顶部的砧面，破裂的具体位置取决于顶砧砧面的形状。一般平的顶砧砧面可以产生小于100GPa的压力，但还取决于顶砧砧面的面积【图1-2-7（b）中的B】。Dunstan（1989）提出了一个估计金刚石顶砧实现最大压力的经验公式： Pmax（GPa）=12.5/d²        （1-2-15）式中，d是金刚石顶砧砧面的直径（mm）。表1-2-1列出了金刚石顶砧的常用顶砧直径及其可以实现的最大实验压力。

       实际上，金刚石顶砧可以实现的最大压力还取决于顶砧的底面面积和底座材料的硬度。由图1-2-8可以看到：①若采用碳化钨底座，即使金刚石顶砧的底面直径较小，仍可以实现较高的压力；②采用合金底座时要求金刚石底面有较大的直径才能实现较高的压力。

       D是顶砧的底面直径；500μm、700μm、1000μm代表砧面的直径；实线和虚线分别代表合金底座和碳化钨底座。需要注意的是，金刚石顶砧往往存在着缺陷，因此实验的实际压力应小于金刚石顶砧的极限压力。另外，大的顶砧面面积需要更大的力施加于底座和压腔支撑块体上，而这将导致底座和滑动支撑块体发生更大的弹性形变，并更易导致金刚石顶砧的破裂。

       对于100GPa以上压力的实验研究，必须采用砧面有倒角的顶砧以降低极高压力下产生的巨大应力。如图1-2-7中的直径B区域为顶砧砧面，除B以外的直径A区域为倒角（斜坡）部分。该图中金刚石的尺寸和参数分别为：A/B>3,A<0.6mm。倒角θ≈7°~8°。若需要进行更高压力的实验，B的尺寸必须更小，例如，若B≈20μm，θ≈8.5°，其工作压力可达到400GPa（Ruoff et al，1990）

       另外还需要强调，进行较高压力的实验时，上下顶砧面的直径差别必须小于1%，两顶砧面的平行度必须小于0.1°（指顶砧面直径为0.6mm时）。砧面边缘的倒角可以较大，但两个砧面的平行度必须达到要求。另外，若实验后出现微小裂纹，则必须在下一次实验前打磨掉。但这种顶砧也只能用于40GPa以下压力的实验。与其相反，无倒角的金刚石顶砧通常在增加压力的时候易发生破裂。另外，若使用砧面非常小的平面顶砧，实验中可进行往返多次升压和降压过程，其压力可大130GPa。