Skip

HPT



Автономная установка с газовой средой для исследования деформаций горных пород при высоких давлениях и высоких температурах.

запросить коммерческое предложение...запросить сервисную поддержку...

Разработанная профессором Mervyn Paterson в Национальном Университете Австралии, HPT обеспечивает возможность механических испытаний материалов при давлениях вплоть до 500 МПа и температурах вплоть до 1600 K. Также возможно обеспечение высокотемпературного окружения для горячего изостатического прессования (HIP), синтеза материалов и измерения физических свойств материалов.

Изначально этот прибор создавался для того, чтобы поспособствовать изучению механики горных пород и отдельных кристаллов породообразующих минералов. Интерес к этой теме вытекает напрямую из задач структурной геологии и тектоники- каковы механические свойства пород в таких геологических обстановках как коллизия, субдукция, обдукция и так далее. Эксперименты в условиях высоких давления и температуры востребованы для соответствия условиям на больших глубинах.

Существует два основных подхода к проведению экспериментов по деформации горных пород. Один из них состоит в использовании пластичного материала как агента для создания условий высокого давления- так называемый широко распространённый "Griggs Rig". Другой состоит в использовании в качестве агента инертного газа- именно этот подход применяется в приборе HPT. Изначально этот подход казался трудно воплощаемым в жизнь, и на протяжении многих лет предпринимались неудачные попытки создать основанный на нём прибор. Лишь после значительной доработки и успешных экспериментов в стенах Австралийского Национального Университета было решено выпустить прибор на рынок, и теперь система HPT является безопасным, надёжным, точным и дружелюбным к пользователю инструментом.


Отдельные задачи, на решение которых нацелен HPT, являются следующими:

Хрупко-пластичный переход:

Каждодневный опыт свидетельствует о том, что горные породы являются довольно хрупким материалом: они не выказывают никакой склонности к пластичности в окружающих нас условиях.Тем не менее, существует множество свидетельств тому, что в определённых геологических условиях породы подвергаются пластическим деформациям- складки, определённая ориентация кристаллов в породах, деформированные зёрна пород, и так далее. Подразумевается, что в эти условия входят высокие давление и температура, равно как и очень значительные временные интервалы. Таким образом, изучение хрупко-пластичного перехода является задачей первостепенной важности для установления точных условий, когда породы начинают вести себя как пластичное тело.

Отдельный интерес в прикладном плане представляет изучение землетрясений- установление условий хрупко-пластичного перехода является важной задачей в геофизике для установления зон, где стоит или не стоит ожидать землетрясения.

Помимо изучения условий хрупко-пластичного перехода, главным применением системы HPT было и остаётся изучение пластических свойств пород и минералов. Высокое давление используется для симуляции условий, характерных для большой глубины. Однако, на практике значительно чаще давление используется просто для подавления хрупкости и для перехода к изучаемой пластичности; роль давления как термодинамической переменной в изменении пластичных свойств не представляет особого интереса, так как кроме как в условиях погребения на большой глубине эта роль относительно незначительна (эффект, оказываемый давлением, может оказаться значительным при определённых условиях- например, при достижении давления в 100 ГПа). Давление, достижимое при использовании системы HPT (до 0.5 ГПа), позволяет воссоздать лишь условия, схожие с глубинами не более 15-20 км, что значительно меньше, например, глубины подошвы континентальной коры (~30 км), но при этом достаточно для достижения пластичности при большой температуре для большинства пород. Температура внутри планеты на глубине 15-20 км равна, в среднем, 800К, что намного меньше той, которую можно достичь с использованием HPT. Причина проведения экспериментов на значительной области значений температуры частично заключается в ускорении изучаемого процесса, и частично- для симуляции процессов, происходящих на большой глубине.

Механизм пластической деформации в породах: Существует много механизмов, согласно которым происходит пластическая деформация пород, включая диффузию индивидуальных атомов, скольжение кристаллов (зеркало скольжения), относительные перемещения граней кристаллов, и т.д. Различные процессы могут происходить в одной и той же породе при различных условиях, и у всех видов деформации свои индивидуальные следы на уровне микроструктуры. Изучение конкретных механизмов деформации у конкретных пород, их зависимость от температуры и сжатия, таким образом, становится важной частью экспериментального исследования пород- это позволяет сформировать базис для интерпретации деформаций породы для восстановления её геологической истории.

В случаях, когда механизм деформации породы подразумевает деформацию индивидуальных зёрен, особенно их дислокацию, зачастую проще изучать именно зёрна, а не породу, что так же является важной областью применения системы HPT.

Наряду со скоростью деформации и температурой, часто во время экспериментов важно контролировать и факторы, обусловленные химическим составом окружающей среды. Двумя наиболее важными из этих факторов являются химические потенциалы кислорода и воды. Химический потенциал кислорода особо важен для содержащих железо минералов, где железо может иметь различную валентность. Химический потенциал воды имеет крайнюю важность в случаях, когда происходит разрушение связей "кремний-кислород", так как вода является катализатором этого процесса. По этим причинам в экспериментах, проводимых с использованием системы HPT, можно накладываться специальные требования и ограничения для химических и термодинамических условий. Результаты экспериментов, в свою очередь, можно использовать для дальнейшей интерпретации подобных условий в природных условиях.

Пластическое течение:

При интерпретации или моделировании естественных тектонических процессов- таких как возникновение гор, консолидация осадков, формирование складок и так далее- необходимым является знание механических свойств горных пород, подвергнутых подобным геологическим условиям. Эти свойства зависят от скорости деформации, и, таким образом, их нельзя измерить напрямую, так как в естественных условиях вышеупомянутые процессы длятся миллионы лет, которых нет в распоряжении у учёных. Однако, можно показать, что некоторые процессы происходят одинаково как в лабораторных, так и в естественных условиях, и произведя лабораторные исследования пород, деформируя их с различной скоростью, можно затем экстраполировать эти данные и использовать их для моделирования тектонических процессов. Это так же является важной областью применения системы HPT из-за возможности произведения высокоточных измерений напряжений\скорости деформации. Так же система позволяет эффективно изучать зависимость механических свойств пород от таких переменных, как химические потенциалы кислорода и воды.

Ceramic and Intermetallic Materials

These materials are also brittle under ambient conditions similar to rocks, and the brittleness can persist to high temperatures at atmospheric pressure. However, as for rocks, ductile behaviour is potentially accessible to experimental study if tests are carried out under high pressure as well as high temperature. The HPT testing machine is therefore can be applied to the study of the plastic properties of ceramics and intermetallics.

There is, in principle, the possibility of using plastic deformation of these materials as a fabrication procedure for producing so-called net shapes. However, for most commercial applications, it would seem unlikely that such a high pressure production procedure would be economical and competitive with conventional sintering procedures, although there may be special applications.

The application of high pressure studies is likely to be more in fundamental research aimed at better basic understanding of the properties of these materials, from which new ideas for applications may flow. For example, the failure of ceramics under stress at high temperatures often results from the development of cavitation at grain boundaries. This process can be readily suppressed by the application of relatively small confining pressures. Therefore, experiments under a range of confining pressures can contribute to the understanding of the factors controlling the development of cavitation and so potentially lead to ways of controlling it.

The plastic flow of ceramics may also be of practical importance in the form of creep in very high temperature applications, but in such cases there may be only marginal ductility. The use of high confining pressures would permit the study of the plasticity of such materials over a much wider range of conditions of stress and temperature in the ductile field, and so improve the fundamental understanding of the plastic processes, possibily enabling improvement of the strength of such materials under ambient pressure.

Another potential field of application would be the study of the influence of other chemical environmental variables, such as water or oxygen potentials, which cannot be readily controlled at atmospheric pressure. This could be of importance in non-stoichiometric compounds, in which there is current interest, as evidenced by the conference held by the Engineering Foundation in April 1998 on "Non-stoichiometric ceramics and intermetallics".
Hot Isostatic Pressing:

An ancillary use of an HPT machine in the laboratory would be for hot isostatic pressing (HIP), using the high pressure and high temperature facilities only. This procedure would have the advantage of offering a wider range of pressure conditions than those in commercial HIP machines. It could also be very useful in a research environment where small experimental batches are to be run since it would be much more economical to use than a conventional commercial HIP machine. At the same time, by periodically "touching" the specimen, the deformation facility could be used to track the changes in length with time of a specimen undergoing hot isostatic pressing, a capability not generally available in HIP machines.
Other Materials

There is potential application of high pressure techniques in any situation where properties are influenced by significant changes of volume with pressure. An example exists in the glass transition of rubber. The glass transition that is well known at low temperature in elastomers can also be induced by applying high pressure at room temperature. The mechanical properties of the glassy state can thus be studied in the HPT testing machine. In view of the relatively high compressibility of polymers, there may be many applications at high pressure in fundamental studies of these materials.

HPT Configuration and Accessories
Basic Configuration
The basic configuration for an HPT consists of the high pressure, high temperature vessel, with its oven. To the basic configuration can be added several modules to enhance the functionality of the instrument. These are:

Optional Configuration

  * Axial Deformation Module, with standard internal load cell and load cell conditioning unit
    * Torsion Testing Module
    * Pore Fluid Module
    * Data Logging System - based on LabView
    * Spare Furnace, standard bore or large bore
    * High Sensitivity Internal Load Cell, including load cell piston
    * Additional Bottom Plug and Compensating Piston, for use with additional internal load cell
    * NEW - Attenuation Module