高温高压大体积材料研究系统

      1  科学目标与功能

      高压科学是物理、化学、生物、地学等基础学科原始创新的一个重要源头，是创造新物质和发现新物理现象的一个强有力的手段，其未来研究领域之广阔不亚于与温度有关的学科，也不亚于与成分有关的学科。本系统的科学目标与功能如下：
      开展大体积材料高温高压极端条件下的相关研究。主要内容包括：1.研究物质在高温高压极端条件下的化学反应过程，如化学反应动力学、化学键的成键状态、反应过程中的电子轨道杂化等、物质的扩散过程；2.利用高温高压极端条件开展新物质、新材料设计研究工作，如研究亚稳相物质的截获、如新型超硬材料(纳米聚晶金刚石、纳米聚晶立方BN等)、超导单晶、新型大尺寸热电材料等功能材料设计；储氢材料、储氢罐专用材料等新型清洁能源关键材料设计；高压力、大尺寸、一次成型的高速飞行器整流罩等重要工程材料设计；3.通过高温和高压环境模拟进行的岩石流变性质、矿物演变、生物成矿作用和生命起源等科学问题的研究。4.与DAC研究内容相互补充，进一步丰富高压高温极端条件下物质科学研究，促进物质科学的发展，主要包括为发展千万大气压强（TGPa）级的高压技术，设计研制相应的硬质抗压缩物质，拓展小腔体高压高压极端条件无法开展的研究工作等。
      高温高压极端条件下对物质原位物性表征技术可广泛应用于物理、化学、材料、地学等多个研究领域，通过开展高压输运、力学流变、声学、光电等基本物理性质的精确测量，探索人们期待已久的高压下的化学反应、扩散、催化等基础研究。对凝聚态物质的输运性质和原位力学性质测量，可揭示1.高压下材料的物理性质，如弹性模量、屈服强度、德拜温度、泊松比等；2.高压下物质的结构相变和电子相变、金属化、热扩散、晶界的输运性质等；3.物质在非平衡高压下的压缩形变与剪切/扭曲形变，及其诱导的材料相变；4.材料的力学/弹性性能、电学性能随此非平衡高压极端条件的变化规律。

      2  系统构成和设计方案

      高温高压大体积材料研究系统的核心是高温高压极端条件的产生。高压极端条件可以从数千个大气压强到几十万个大气压强，高温极端条件可以高达数千开。在这些压力和温度条件下，获取的样品形态可以有固体物态，也有液态物质；样品的体积可以从立方毫米到立方厘米数量级。产生不同的高压极端实验条件的基本原理具有差异，而不同科学研究需求不同的高温高压极端条件。因此，针对不同用户科学研究对不同的高压极端条件的需求，该系统拟设计了三种不同的高温高压极端实验条件子系统，形成一个完整的高温高压大体积材料研究系统。

      各子系统的建设充分考虑多种压力产生的集成，在子系统的研究内容上既相互独立又互为补充，从而为高温高压大体积材料研究用户提供一个更为广阔的实验平台。下面分别介绍各子系统的设计方案。
      固体环境高温高压极端条件实验子系统：依据大质量支撑原理，优化设计高压腔体的结构、传压介质材料的选择及优化的几何结构，设计出能够在大尺寸样品腔中获取高压强的压力产生部件。依据大体积高压产生部件的原理，在该子系统中共设计了两种不同的高压样品腔体。

      依据压力产生部件提供的高温高压极端实验条件特点以及物理性质测试的基本原理，设计该极端条件下相匹配的物理性质-输运性质和力学性质原位测量单元，实现该物理性质的高温高压原位表征。
      液体环境高温高压极端条件实验子系统：拟建设的液体环境高温高压极端条件实验子系统，按照不同样品腔体和温度-压力条件的实验需求，有针对性的配置了两套大体积液态传压高压产生装置及一套活塞圆筒装置。突破原有技术局限，增加多种原位测量技术；拓宽研究条件，可为压力从MPa到GPa、温度从室温至2000K范围内的各种实验需求提供最尖端实验手段的支撑。采用流体介质传递压力，结合先进的原位测量技术，可以开展矿物形成、反应动力学过程解析、超临界流体及其与物质相互作用、高温高压流体的液-液相变及相平衡、深海极端环境模拟和水热&溶剂热晶体生长等相关实验研究。该方案的主要创新点是子系统的三个高温高压装置分别实现了液体或流体环境下的大体积、高温度、高压力三个极端环境。另一个创新点是通过原位的高压光谱设备和原位电输运测试设备低高温高压液体极端环境下的样品进行测试。
      非平衡高压极端条件实验子系统：该“非平衡高压极端条件实验子系统”由“可控快速增压高压实验装置” 与“单轴加压高压实验装置”组成，其相互独立，但各自性能又相互补充。

      3  系统主要参数