一種多功能機械高壓原位拉曼測試池及其應用
【技術領域】
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[0001]本發明涉及一種多功能機械高壓原位拉曼測試池及其應用，屬于材料光譜原位測試的技術領域。
【背景技術】
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[0002]拉曼光譜作為一種分子光譜，可以給出物質分子層次上的結構信息，在有機和高分子材料、無機材料以及無機-有機復合材料的測試分析中得到了廣泛的應用。例如，利用拉曼光譜可以準確地鑒定寶石內部的包裹體，提供寶石的成因及產地信息，并且可以快速、無損和準確地鑒定寶石的類別(天然寶石、人工合成寶石)等；另外，拉曼光譜還被用于研究端粒DNA的溶液二級結構和核苷構象，揭示單鏈和雙鏈端粒DNA的結構多態性。此外，拉曼光譜在Al-Si共晶體和SiC纖維增強玻璃復合材料、ZrO2-Al2O3層狀復合材料的空間分布及其殘余應力分析等方面也得到了廣泛應用。
[0003]近年來，為了探索在高溫、高壓等極端條件下材料的結構及性能變化情況，發現新的現象和探索新材料，人們通過原位采集高溫和高壓下有機和無機材料的拉曼光譜，系統研究了各種材料在極端條件下的結構及化學鍵類型、光電性能以及催化吸附性能等的特殊變化規律。例如，通過測試和分析不同溫度下的拉曼光譜，可以研究晶體Bi4Ge3O12的結構隨溫度變化的規律；通過連續測量變溫拉曼光譜，研究人員發現銳鈦礦型打02在1373K?1473K發生相變，不可逆轉化為金紅石型T12;將高溫拉曼光譜與微型晶體生長設備相結合，還可以研究晶體生長過程中的固-液邊界層以及邊界層兩側熔體和晶體的結構特征，揭示生長基元結構從熔體經邊界層過渡到晶體的變化過程；此外，拉曼光譜在石墨烯表面吸附行為的研究中也得到了大量應用。
[0004]通過極端條件下的原位拉曼光譜研究材料的特殊結構和性能雖然取得了很大進展，但因為極端條件對設備及其附件的苛刻要求，目前拉曼光譜原位監測附件的種類仍然很少，相應的研究結果也很少見。但是，隨著在極端條件下使用的材料種類越來越多，人們迫切需要了解在這些苛刻的條件下材料的結構和性質變化規律，以采取措施提高材料和器件的可靠性；在這種情況下，清楚地了解材料在極端條件下的變化規律，就構成了有效地調控材料結構和性能的基礎。因此，設計新的多功能聯合原位測試池，實現高溫、高壓以及激光輻照多因素聯合作用下材料拉曼光譜的原位采集，具有重要的意義和應用價值。
【發明內容】
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[0005]針對現有技術的不足，本發明提供一種多功能機械高壓原位拉曼測試池。本發明可以實現在高溫、高壓以及激光輻照等極端條件下對材料的拉曼光譜進行原位測試，為研究特殊條件下材料的結構和性能、開發材料性能調控新方法奠定基礎。
[0006]本發明還可以用于測試粉體、塊體、高溫熔體以及薄膜等多種形態的樣品。
[0007]在加熱、加壓以及激光輻照下，可以連續地原位監測材料的拉曼光譜，從而在常壓到上萬大氣壓下對材料的結構變化、穩定性以及化學反應過程等進行連續原位跟蹤。
[0008]本發明還提供上述機械高壓原位拉曼測試池的使用方法。
[0009]本發明的技術方案如下:
[0010]一種多功能機械高壓原位拉曼測試池，包括外高壓筒，在所述外高壓筒內、且沿徑向由內而外嵌套有壓桿部和導向筒部；
[0011]在所述導向筒部的前端設置有窗口片；所述導向筒部的末端延伸設置在所述外高壓筒的外部、且與所述外高壓筒的末端通過緊固件固定連接；
[0012]所述壓桿部的前端抵壓樣品至所述窗口片；所述壓桿部的末端延伸設置在所述導向筒部的末端的外部；所述導向筒部的末端與所述壓桿部的末端通過螺紋方式連接。本發明中引用外高壓筒，作用是為其內部的部件提供支撐，使之在承受高壓時不至于變形。優選的，所述的外高壓筒由高強度鋼材加工，根據工作壓力要求，外高壓筒可以被制成單層結構、雙層結構或多層結構。
[0013]本發明中引用窗口片，其作用包括參與形成密閉高壓腔體以及為激發光和散射光提供傳輸通道，其根據工作壓力不同，窗口片可選用玻璃、石英、藍寶石、金剛石等材質加工。
[0014]根據本發明優選的，在所述外高壓筒內設置有熱電偶孔供熱電偶插入。
[0015]根據本發明優選的，在所述外高壓筒的外側設置有加熱部。優選的，所述加熱部為加熱管。此處設計的優點在于，是對整個測試池進行加熱，為進行材料的原位測試提供高溫條件。
[0016]根據本發明優選的，在所述外高壓筒的外側還設置有保溫層。此處設計的優點在于，降低熱損失和保持所述測試池的溫度，同時防止高溫損壞拉曼光譜儀。
[0017]根據本發明優選的，在所述外高壓筒的底部設置有可調高度的底座。優選的，所述可調高度的底座為絕緣材質制成。
[0018]根據本發明優選的，所述可調高度的底座包括底座、連接螺釘和微調螺母。此處設計的優點在于，支撐外高壓筒并與拉曼光譜儀連接，其中連接螺釘用于將底座固定于外高壓筒的底部，并可以方便地調節外高壓筒與水平面內的夾角；所述微調螺母用來對外高壓筒的高度進行調整。
[0019]根據本發明優選的，所述壓桿部包括高壓壓桿和在所述高壓壓桿末端設置的壓力調節螺母。
[0020]根據本發明優選的，在所述高壓壓桿的末端延伸設置在所述導向筒部的末端的外部、且設置有卡擋壓緊彈簧的凸緣，在所述凸緣和壓力調節螺母之間設置有壓緊彈簧。此處設計的優點在于，引入所述壓緊彈簧，用于定量地調節施加到樣品上的壓力，通過預設定標，可以根據壓緊彈簧的壓縮量準確地計算出施加到樣品上的壓力。
[0021]根據本發明優選的，在所述壓力調節螺母和壓緊彈簧之間設置有彈簧擋片。此處設計的優點在于，所述彈簧擋片的作用是將壓力調節螺母施加的壓力傳遞給壓緊彈簧，另夕卜，彈簧擋片作為一個緩沖，當壓力調節螺母轉動時它還可阻止壓緊彈簧隨著轉動。
[0022]根據本發明優選的，所述導向筒部沿前端至末端依次包括內高壓輔筒、樣品密封擋圈、內導向筒、主密封擋片和主密封法蘭盤，所述主密封法蘭盤通過緊固件與所述外高壓筒的末端連接。此處設計的優點在于，所述內高壓輔筒的作用包括:與內導向筒一起擠壓樣品密封擋圈，使之變形和實現對樣品的密封；與高壓壓桿、窗口片以及密封緩沖墊片共同組成樣品尚壓腔室。
[0023]所述樣品密封擋圈的作用是將樣品密封于窗口片附近的狹小空間內，以獲得高強度的拉曼信號。
[0024]所述內導向筒的作用包括:一是引導高壓壓桿在軸線方向上對樣品施加壓力，防止偏離；二是與內高壓輔筒一起擠壓樣品密封擋圈以及密封緩沖墊片，實現測試池和對樣品的密封。
[0025]所述主密封擋片的作用是把主密封法蘭盤產生的壓力傳遞給輔助密封圓筒、內筒密封圈、樣品密封擋圈以及密封緩沖墊片。
[0026]根據本發明優選的，所述內導向筒的末端部依次套設有內筒密封圈和輔助密封圓筒，所述主密封法蘭盤通過主密封擋片、內筒密封圈和輔助密封圓筒相連。
[0027]此處設計的優點在于，所述內筒密封圈的作用有兩個，一是對外高壓筒與內導向筒之間的縫隙進行密封，二是傳遞主密封法蘭盤施加的壓力，促使密封緩沖墊片變形，實現對測試池的密封。所述輔助密封圓筒的作用是將主密封法蘭盤上的壓力傳遞給內筒密封圈以及密封緩沖墊片。
[0028]根據本發明優選的，在所述窗口片的前端和末端分別設置密封緩沖墊片。此處設計的優點在于，利于高壓腔體密封以及在窗口片和外高壓筒之間實現緩沖，以免損壞窗口片。
[0029]如上述機械高壓原位拉曼測試池的工作方法，包括:
[0030]組裝所述測試池:
[0031]I)依次向外高壓筒內放置密封緩沖墊片、窗口片和密封緩沖墊片；
[0032]2)安裝內高壓輔筒和樣品密封擋圈，裝入內導向筒；
[0033]3)依次在內導向筒的末端部位套入內筒密封圈和輔助密封圓筒；
[0034]4)安裝主密封擋片；
[0035]5)安裝主密封法蘭盤，并用緊固件壓緊；
[0036]裝入待測樣品:
[0037]6)利用高壓壓桿穿入內導向筒中并壓緊樣品；
[0038]7)將所述壓緊彈簧套裝在高壓壓桿上，安裝彈簧擋片；
[0039]8)將壓力調節螺母擰入主密封法蘭盤的螺孔內，通過調節壓緊彈簧的壓縮量改變施加到樣品上的壓力值；
[0040]9)對樣品進行原位拉曼測試。
[0041 ] 根據本發明優選的，在步驟8)中，還包括，將熱電偶插入熱電偶孔，通過調整加熱管實現調節拉曼測試的溫度。
[0042]本發明的優勢在于:
[0043]1、當進行原位拉曼光譜測試時，本發明可變參數有溫度、壓力和激光輻照，工作壓力可以從常壓到上萬大氣壓。在這種工作模式下，上述幾個參數可以同時變化，也可以各自獨立地變化，且在變化過程中可以連續地原位采集材料的拉曼光譜。
[0044]2、本發明通過對壓緊彈簧進行準確定標，壓力數值可以通過壓力調節螺母的旋入量方便地進行調控。本發明避免了使用復雜的壓力調節機構，使原位測試池與拉曼光譜儀更容易兼容；在機械高壓原位測試模式下，設置了樣品密封擋圈，有效地避免了樣品在高溫下熔化時從池體內、外高壓筒間的縫隙中漏出，使得原位測試池可以方便地用于高溫熔體的原位拉曼測試。
[0045]3、利用本發明所述原位拉曼測試池，不僅可以對材料進行常規的拉曼光譜測試，更可以在高溫、高壓以及激光輻照等極端條件下對材料的狀態和性能進行原位跟蹤測試。利用這些特殊功能，可以系統地考察極端條件下材料的結構及性能的特殊變化規律，拓展材料研究領域。在此基礎上，探索和發現更有效的材料改性和處理新方法，為研制具有更好性能的新材料服務。
【附圖說明】
[0046]圖1本發明所述測試池的整體結構示意圖；
[0047]圖2本發明所述底座的俯視圖；
[0048]圖3本發明所述底座的側視剖面圖；
[0049]圖4本發明所述外高壓筒的側視剖面圖；
[0050]圖5本發明所述密封緩沖墊片的側視圖；
[0051]圖6本發明所述內高壓輔筒的側視剖面圖；
[0052]圖7本發明所述樣品密封擋圈的側視剖面圖；
[0053]圖8本發明所述輔助密封圓筒的軸向剖視圖；
[0054]圖9本發明所述內導向筒的軸向剖視圖；
[0055]圖10利用本發明的原位拉曼測試池測得的不同壓力下CH3NH3PbI3的拉曼光譜；
[0056]圖11在33MPa機械高壓下復合半導體CH3NH3PbI3的變溫拉曼光譜圖；
[0057]圖12在18MPa機械高壓下CdI2-吖啶復合半導體的