激光钻孔的铼或不锈钢垫片是用于在金刚石压腔（DAC）内创建密封压力腔的关键围壁。通过将该金属部件放置在两个金刚石砧之间，研究人员提供了必要的侧向约束来固定样品，防止其向外挤出，同时能够产生和维持超高静压。
核心要点 垫片不仅仅是间隔件；它是将砧的垂直力转化为稳定、三维高压环境的结构容器。没有这种侧向约束，样品会立即从腔室中流出，使得无法达到72 GPa等压力或维持深层地球模拟所需的条件。
创建微型压力腔
侧向约束的必要性
在金刚石压腔中，金刚石砧施加巨大的垂直力。然而，如果没有反作用力，样品材料会简单地从侧面挤出。
铼（Re）或不锈钢垫片的主要功能是提供这种侧向约束。它充当径向壁，对抗样品，将其限制在砧面的中心。
形成密封体积
垫片与金刚石砧协同工作，形成实际的实验体积。
一旦垫片被压印并在其中心钻孔，该空腔就成为一个微型压力腔。压缩后，金属会密封在金刚石面上，形成一个能够捕获样品和传压介质的封闭系统。
机械稳定性准备
预压印的作用
在实验开始之前，金属垫片会使用高精度实验室压力机进行“预压印”处理。
此步骤会精确减小垫片（例如铱或铼）的厚度。预压印显著提高了金属的机械稳定性，确保其足够坚固，能够在正式加压过程中约束样品体积。
激光钻孔样品腔
压印后，使用高精度激光在垫片压印中心的孔洞处钻孔。
该孔定义了样品腔的尺寸。钻孔的精度对于在负载下保持密封的对齐和完整性至关重要。
实现极端环境
实现超高静压
铼等材料的坚固性使得腔室能够承受27至72 GPa以上的静压。
这种能力对于模拟行星体内深处条件至关重要。例如，这些装置允许观察锆石等材料在模拟地幔或地核巨大压力环境下的行为。
激光加热过程中的稳定性
在激光加热金刚石压腔（LH-DAC）实验中，垫片必须在热应力和机械应力下都能正常工作。
当样品被加热到3820至4760 K以模拟地核时，垫片可防止压力损失。它确保金属熔体和硅酸盐熔体之间的化学平衡可以被研究，而不会因热膨胀或材料软化导致样品泄漏或压力下降。
理解权衡
机械极限和失效风险
虽然铼和不锈钢坚固，但它们有物理极限。如果垫片预压印的厚度不正确，它可能无法密封，导致“爆裂”，样品会立即挤出。
材料硬度与密封能力
垫片的硬度与其密封能力之间存在功能性权衡。铼等硬质金属为超高压（72 GPa+）提供更好的约束，但更难制备。不锈钢等较软材料可能更容易加工，但无法在不发生过度变形的情况下承受相同的极端压力水平。
为您的实验做出正确选择
为确保您的超高压研究成功，请根据您的具体实验参数选择垫片策略：
- 如果您的主要关注点是极端压力（>60 GPa）：优先选择铼垫片，因为其卓越的机械稳定性提供了强大的侧向约束，可防止在72 GPa等力下发生挤出。
- 如果您的主要关注点是可重复性：投入时间进行精确的预压印，因为精确减小垫片厚度是在多次运行中一致约束样品体积的关键因素。
- 如果您的主要关注点是高温模拟：确保您的垫片制备考虑到热稳定性，因为即使在激光加热温度超过4000 K时，密封也必须保持压力完整性。
正确的垫片制备是将标准压力机转变为行星内部模拟器的最重要变量。
摘要表：
| 特性 | 铼（Re）垫片 | 不锈钢垫片 |
|---|---|---|
| 压力范围 | 超高压（>60 GPa，高达72+ GPa） | 中高静压 |
| 硬度 | 非常高（卓越的约束） | 较低（易于制备） |
| 热稳定性 | 激光加热（4000K+）性能优异 | 较低；高温下有变形风险 |
| 关键功能 | 防止样品挤出 | 经济高效的侧向约束 |
| 主要用途 | 行星核/幔模拟 | 一般高压研究 |
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参考文献
- Chang Pu, Zhicheng Jing. Metal‐Silicate Partitioning of Si, O, and Mg at High Pressures and High Temperatures: Implications to the Compositional Evolution of Core‐Forming Metallic Melts. DOI: 10.1029/2024gc011940
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
