Prensa de bigorna - Anvil press
Uma prensa multi-bigorna, ou prensa bigorna, é um tipo de dispositivo relacionado a uma prensa de máquina usada para criar pressões extraordinariamente altas em um pequeno volume.
As prensas bigornas são utilizadas na ciência dos materiais e geologia para a síntese e estudo das diferentes fases dos materiais sob extrema pressão, bem como para a produção industrial de minerais valiosos, especialmente diamantes sintéticos , pois imitam as pressões e temperaturas que existem nas profundezas do Terra. Esses instrumentos permitem a compressão e aquecimento simultâneos de amostras de fase sólida de tamanho milimétrico, como rochas , minerais , cerâmicas , vidros , materiais compostos ou metais e são capazes de atingir pressões acima de 25 GPa e temperaturas superiores a 2.500 ° C. Isso permite que físicos minerais e petrólogos que estudam o interior da Terra reproduzam experimentalmente as condições encontradas em toda a litosfera e no manto superior , uma região que se estende pela superfície próxima a uma profundidade de 700 km. Além de pressionar a amostra, o experimento passa uma corrente elétrica por um forno dentro da montagem para gerar temperaturas de até 2.200 ° C. Embora as células de bigorna de diamante e armas leves de gás possam acessar pressões ainda mais altas, o aparelho multi-bigorna pode acomodar amostras muito maiores, o que simplifica a preparação da amostra e melhora a precisão das medições e a estabilidade dos parâmetros experimentais.
A prensa multi-bigorna é uma ferramenta de pesquisa relativamente rara. As duas prensas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore têm sido usadas para uma variedade de estudos de propriedades de materiais, incluindo difusão e deformação de cerâmicas e metais, terremotos de foco profundo e estabilidade de fases minerais em alta pressão.
História
O aparato multi-bigorna 6-8 foi introduzido por Kawai e Endo usando uma esfera de aço dividida suspensa em óleo pressurizado, mais tarde modificada para usar o aríete hidráulico. Em 1990, Walker et al. simplificou o primeiro estágio de compressão introduzindo o design de caixa de chapéu removível, permitindo que prensas de máquina comuns sejam convertidas em sistemas multi-bigorna. Uma variedade de projetos de montagem foi introduzida e padronizada, incluindo o calcinável Walker e as montagens COMPRES. Avanços recentes têm se concentrado em medições in situ e padronização de materiais e calibrações.
Design básico
Um aparelho típico de bigornas 8–6 de células Kawai usa bombas de ar para pressurizar o óleo, que aciona um aríete hidráulico vertical para comprimir uma cavidade cilíndrica conhecida como caixa de chapéu. Essa cavidade é preenchida com seis bigornas de aço, três voltadas para cima e três voltadas para baixo, que convergem em um conjunto de oito cubos de carboneto de tungstênio . Os cantos internos desses cubos foram truncados para caber em uma montagem octaédrica . Esses octaedros variam de 8 mm a 25 mm na borda e são normalmente compostos de óxido de magnésio ou outro material que se deforma ductilmente ao longo da faixa de condições experimentais, para garantir que o experimento esteja sob estresse hidrostático. À medida que esse conjunto é comprimido, ele se expande entre os cubos, formando uma gaxeta. Um cilindro é perfurado entre duas faces opostas para acomodar o experimento. Experimentos que requerem aquecimento são circundados por um forno cilíndrico de grafite ou cromita de lantânio , que pode produzir calor considerável por resistência elétrica. No entanto, o forno de grafite pode ser problemático em altas pressões devido à sua tendência de se transformar em diamante. A multi-bigorna DIA é a principal alternativa à célula Kawai: ela usa seis bigornas para comprimir uma amostra cúbica.
Teoria
Em princípio, a prensa multi-bigorna é semelhante em design a uma prensa de máquina, exceto que ela usa a ampliação da força para amplificar a pressão, reduzindo a área sobre a qual a força é aplicada:
Isso é análogo à vantagem mecânica utilizada por uma alavanca , exceto que a força é aplicada linearmente, em vez de angularmente. Por exemplo, uma bigorna múltipla típica poderia aplicar 9.806.650 N (equivalente a uma carga de 1000 t ) em um conjunto octaédrico de 10 mm, que tem uma área de superfície de 346,41 mm2, para produzir uma pressão de 28,31 GPa dentro da amostra, enquanto o a pressão no cilindro hidráulico é de apenas 0,3 GPa. Portanto, o uso de conjuntos menores pode aumentar a pressão na amostra. A carga que pode ser aplicada é limitada pela resistência à compressão dos cubos de carboneto de tungstênio, especialmente para experimentos aquecidos. Pressões ainda mais altas, de até 90 GPa, foram alcançadas usando cubos de diamante sinterizado de 14 mm em vez de carboneto de tungstênio.
Medições na Multi-bigorna
A maioria das análises de amostra é conduzida após o experimento ser resfriado e removido da multi-bigorna. No entanto, também é possível realizar medições in-situ. Circuitos, incluindo termopares ou resistores variáveis de pressão, podem ser integrados ao conjunto para medir com precisão a temperatura e a pressão. A interferometria acústica pode ser usada para medir velocidades sísmicas através de um material ou para inferir a densidade de materiais. A resistividade pode ser medida por espectroscopia de impedância complexa. As propriedades magnéticas podem ser medidas usando ressonância magnética nuclear amplificada em multi-bigornas especialmente configuradas. O projeto de multi-bigorna DIA geralmente inclui janelas de diamante ou safira embutidas nas bigornas de tungstênio para permitir que os raios X ou nêutrons penetrem na amostra. Este tipo de dispositivo dá aos pesquisadores de fontes de spallation de nêutrons e síncrotons a capacidade de realizar experimentos de difração para medir a estrutura de amostras sob condições extremas. Isso é essencial para observar as fases insaciáveis da matéria porque elas são cinética e termodinamicamente instáveis em baixas temperaturas e pressão. A viscosidade e a densidade de fundidos de alta pressão podem ser medidas in-situ usando o método de flutuação em pia e tomografia de nêutrons. Neste método, uma amostra é implantada com objetos, tais como esferas de platina, que têm densidade e propriedades de dispersão de nêutrons diferentes em comparação com o material que os rodeia, e o caminho do objeto é rastreado conforme ele afunda, ou flutua, através do fundido. Dois objetos com flutuabilidade contrastante podem ser usados simultaneamente para calcular a densidade.
Formulários
A pressão, assim como a temperatura, é um parâmetro termodinâmico básico que influencia a estrutura molecular e, portanto, as propriedades elétricas , magnéticas , térmicas , ópticas e mecânicas dos materiais. Dispositivos como o aparato multi-bigorna nos permitem observar o efeito da alta pressão na estrutura e nas propriedades do material. As prensas multi-bigorna são ocasionalmente usadas na indústria para produzir minerais de pureza, tamanho e qualidade excepcionais, especialmente diamantes sintéticos de alta pressão e alta temperatura (HPHT) e nitreto de boro-c. No entanto, multi-bigornas são dispositivos de alto custo e são muito adaptáveis, por isso são mais frequentemente usados como instrumentos científicos. Multi-bigornas têm três usos científicos principais: 1) para sintetizar novo material de alta pressão; 2) alterar as fases de um material; 3) examinar as propriedades dos materiais a altas pressões. Na ciência dos materiais, isso inclui a síntese de materiais novos ou úteis com aplicações mecânicas ou eletrônicas potenciais, como supercondutores de alta pressão ou substâncias ultraduras. Os geólogos estão principalmente preocupados em reproduzir as condições e materiais encontrados nas profundezas da terra, para estudar processos geológicos que não podem ser observados diretamente. Minerais ou rochas são sintetizados para descobrir quais condições são responsáveis por diferentes fases minerais e texturas (citação necessária). Os geocientistas também usam multi-bigornas para medir a cinética das reações , densidade , viscosidade , compressibilidade , difusividade e condutividade térmica da rocha sob condições extremas.
links externos
- A prensa multi-bigorna de 1000 toneladas na Caltech ( versão arquivada )
- Prensa de 500 toneladas em Oxford
- Walker, D. (1991). "Lubrificação, vedação e precisão em experimentos multianaviais" (PDF) . Mineralogista americano . 76 : 1092–1100.