Walker型大腔体压机在高温下的超高压产生及多学科应用

侯旭远 ,  尚宇琛 ,  陈陆瑶 ,  丰丙涛 ,  赵元隆 ,  赵鑫宇 ,  胡阔 ,  陶强 ,  朱品文 ,  李志慧 ,  刘然 ,  刘兆东 ,  姚明光 ,  刘冰冰

Engineering ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 155 -164.

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Engineering ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 155 -164. DOI: 10.1016/j.eng.2023.03.023
研究论文

Walker型大腔体压机在高温下的超高压产生及多学科应用

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Ultrahigh Pressure Generation at High Temperatures in a Walker-Type Large-Volume Press and Multiple Applications

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摘要

在大腔体压机的大尺寸样品腔体中，同时产生超高压和高温极端条件是一项极具挑战的难题。本研究成功地在商用Walker型大腔体压机（LVP）中产生了37.3~40.4 GPa和1900~2100 K的压力和温度条件。我们采用新设计的具有表面倒角的ZK01F型碳化钨（WC）压砧，并使用具有体积约1 mm3样品腔体、由硬质材料构成的高压组装体，研究了不同类型的WC压砧和组装体的压力产生效率，同时对压机进行优化调整，成功扩展了Walker型LVP在高温下能够达到的压力产生极限。应用上述超高压技术，我们成功合成并表征了近全sp3杂化的极硬非晶碳材料、具有高奈尔温度的核壳结构纳米晶体，以及较大尺寸的下地幔矿物单晶。本工作所开发的LVP技术能够促进新材料及地球内部化学与物理性质的探索。

Abstract

Ultrahigh pressure generation at high temperatures is technologically challenging for large sample volumes. In this study, we successfully generated pressures of 37.3–40.4 GPa at 1900–2100 K in a Walker-type large-volume press (LVP). Expansion of the pressure range at high temperatures was achieved by adapting newly designed ZK01F tungsten carbide (WC) anvils with tapered surfaces and using cell assemblies with an ∼1 mm3 sample volume and hard materials, as well as by applying certain adjustments to the apparatus. The pressure efficiencies of the different types of WC anvils and cell assemblies were also studied. Using the above-mentioned techniques, we successfully synthesized and characterized bulk samples of nearly pure sp3-hybridized ultrahard amorphous carbon, core–shell nanocrystals with high Néel temperatures, as well as large-sized single crystals of lower-mantle minerals. The developed LVP techniques presented here could enable the exploration of the chemical and physical properties of novel materials and Earth’s interior.

关键词

超高压 / 高温 / 大腔体压机 / 碳化钨压砧 / 新材料

Key words

Ultrahigh pressure / High temperature / Large-volume press / Tungsten carbide anvil / Novel materials

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侯旭远,尚宇琛,陈陆瑶,丰丙涛,赵元隆,赵鑫宇,胡阔,陶强,朱品文,李志慧,刘然,刘兆东,姚明光,刘冰冰. Walker型大腔体压机在高温下的超高压产生及多学科应用[J]. 工程（英文）, 2025, 45(2): 155-164 DOI:10.1016/j.eng.2023.03.023

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1 引言

大腔体压机（LVP）因其能够在精确调控的高压、高温（HPHT）极端条件下处理大体积样品，被广泛应用于材料、化学、物理学及地球科学等领域。作为LVP的重要应用之一，通过带式、四面顶和六面顶等型号的LVP在5 GPa以上的高压、高温条件下成功合成出的金刚石单晶，已被广泛用于精密切割、机械等工业领域[1‒3]。然而，以上设备能够产生的压力通常受限在10 GPa以下，在高温下压力产生范围更加受限。Kawai型LVP通过引入多级压缩系统，能够在高温下产生超过20 GPa的HPHT条件[4‒5]。该装置通过六个分割球体硬化钢一级压砧压缩八个截角碳化钨立方体二级压砧，这些截角立方体共同作用于一个固态八面体传压介质，这种二级压砧拼成的立方体结构被称为Kawai cell（Kawai组装体）[6]。在不同温度、10~25 GPa条件下，此型LVP已被成功应用于大尺寸（立方 mm到立方厘米量级）透明纳米聚晶金刚石、立方氮化硼和石榴石材料的合成[7‒12]，同时也实现了样品的高压原位表征，包括电导率、热导率和声速等[13‒16]。

在高温下扩展LVP的压力产生极限被认为是LVP技术的一项技术进步。高压是通过将施加的载荷力集中到LVP中二级压砧截角边长（TEL）较小的砧面上来实现的[17]。因此，一级和二级压砧、组装体及密封边垫片的机械性能与结构设计在高温下的压力产生能力中发挥着关键作用。由于压砧硬度的限制和组装体较低的产压效率，Kawai型LVP在高温下能够产生的压力最高约为25 GPa。近期，在定制的DIA（Osugi）型LVP中，通过提升一级压砧的同步压缩性、使用硬质碳化钨（WC）压砧以及改良的陶瓷组装体设计，实现了高温下超高压（>25 GPa）的产生[18]。进一步选用具有表面倒角的硬质TF05型WC压砧，在2000 K下能够产生44 GPa的超高压[19]，更硬的TJS01型WC压砧在高温下产生的最高压力可达52 GPa（附录A中的表S1）[20‒21]。

Walker型LVP可被视作Kawai型LVP几何结构上的简化型号，其采用单轴力压缩Kawai组装体的<111>方向[22‒24]。与DIA（Osugi）型LVP相比，Walker型LVP仅需施加较少的外部载荷即可产生相同的内部样品腔压力，因此这一技术被认为是一种更为通用的技术。Walker型LVP简洁的架构、操作相对简便和出色的压砧自对中能力使大腔体压机技术在全球得到了更广泛的应用[2,22‒23]。尽管Walker型LVP已取得了巨大成功，但仍需要进一步的技术发展，以达到高温下25 GPa以上的超高压，推动对新材料和地球内部环境的深入探索。最近，本课题组通过在Walker型LVP中采用硬质ZK01F WC压砧，成功在约2 mm3的样品腔体中产生了36 GPa、1700 K的HPHT环境[25]。然而，由于放炮（blow-out）和加热不稳定等问题，在高温下产生超过36 GPa的更高压力仍然具有挑战性。因此我们需要进一步开发适用于常规实验的通用超高压技术。

在本工作中，我们采用了新型ZK01F碳化钨压砧（以下简称新型ZK01F），其硬度与我们前期研究中使用的ZK01F型号相同[23]，但具有更优的烧结颗粒粒径分布，能够提高其在HPHT实验中的表现。我们研究了新型ZK01F与另外两种类型的WC压砧的机械性能与压力产生效率之间的关系。为进一步扩展高温下的压力范围并克服前期加热不稳定问题，我们在组装体中引入了氧化铝和ZrO₂等硬质材料。在常规实验条件下Walker型LVP成功产生了约30 GPa的压力，超高压实验中压力突破了40 GPa。这些新技术表明，我们能够在1900~2100 K的温度下同步产生超过40 GPa的压力。

2 方法

2.1 Walker型LVP架构

本实验采用了JLUHC Walker型LVP，通过液压油泵能产生最高690 bar（1 bar = 105 Pa，附录A中的图S1）的油压压力，对应的最大实际载荷为10 MN。本工作所使用的压机架构与前期的研究[25]一致。具体架构及细节调整如下所述。

六个可拆卸的分体式钨钢一级压砧，在水平方向上被约束在圆柱体压缸内部，并通过垂直方向的单轴力进行压缩[图S1（b）、（c）]。通过实现一级压砧初始位置的高度对称性，充分利用Walker型压机分体压砧系统的自对中能力，能够提高超高压产生的成功率。因此我们在一级压砧的内表面和约束环外表面分别粘贴了两层聚酯薄膜，以提供电气绝缘并提高横向位置的对称性，聚酯薄膜也有助于在垂直方向上起到润滑压砧受压运动的作用。聚酯薄膜的总厚度从0.200 mm调整为0.176 mm，以提升一级压砧的自对中能力。实验发现，在两层薄膜间使用氮化硼（h-BN）润滑剂喷雾也可改善润滑效果。六个一级压砧的砧面构成立方体腔体，内部放置由八个边长为25.4 mm的二级WC压砧组成的Kawai组装体。二级压砧通过六个边长为48.0 mm、厚度为0.4 mm的环氧树脂板固定和保护，这些环氧树脂板粘贴在Kawai组装体位于一级压砧和二级压砧之间的每个外侧面上。二级碳化钨压砧的八个截角共同压缩内部的固态八面体传压介质，产生准静水压。样品放置在八面体传压介质中心。通过加热体通电实现高温，最大加热功率为6 kW。压缸上、下两侧增加了螺旋冷却模块以防止压砧过热。

2.2 二级WC压砧

前期的研究中，我们对三种类型的WC压砧进行了高压实验测试，发现硬质ZK01F压砧具有最高的压力产生效率[25]；然而，其损坏率在36 GPa以上的压力下较高。本研究中，我们采用了新型ZK01F压砧（中国河源正信硬质合金有限公司），其硬度与之前的旧型号相同，但粒径分布更均一（表1）[25‒26]。我们将新型ZK01F压砧与另外两种具有相似力学性能的商业硬质碳化钨压砧进行比较，即F08（Fuji Die Co., Ltd., Japan）和Hawedia（Hawedia, Germany）。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM; Magellan 400, FEI Company, USA）结合能谱分析仪（X-MaxN 150, Oxford Instruments, UK）对这些压砧的微结构和成分进行表征：所有压砧均采用钴（Co）作为烧结剂烧结，F08、新型ZK01F和Hawedia的Co含量（质量分数）分别约为10%、4%和2.4%。新型ZK01F和F08压砧的平均颗粒尺寸约为0.35 μm，而Hawedia压砧的颗粒尺寸略大（图1）。F08压砧在颗粒尺寸和成分分布的均匀性方面表现最佳，使其在实验中的可重复使用次数更多（表1）。较低的Co含量和较小的颗粒尺寸通常会在其他参数相同的情况下提高硬度。Hawedia压砧在这些压砧中具有最高的洛氏硬度（95.2 HRA），而新型ZK01F（93.5 HRA）与F08（93.4 HRA）的硬度几乎相同[25‒26]。

另一个影响压力产生效率的关键因素是压砧在截角附近的屈服，在越高的压力下压砧的屈服影响越明显[21,27]。我们进一步通过在每个新型ZK01F压砧1.5 mm截角周围的三个表面进行轻微的1°负倾斜角倒角来改变压砧的几何形状。倒角可以减少屈服效应的影响，从而增加压力产生效率。这种倒角技术由Ito等[19,28]开创，直到近期被用于超高压产生。压砧截角周围的三个面被倒角，并将压砧塑造成楔形，如图2（a）所示[21]，使外部载荷能充分传导到传压介质上。叶蜡石密封边（垫片）被粘贴在截角周围，以充分密封传压介质材料，并降低压砧在截角周围的应力集中。巴尔沙木垫片被粘贴在相邻二级压砧之间以保持初始对中性，耐热胶带被粘贴在叶蜡石垫片后侧的压砧表面上以保证压砧间的电绝缘[图2（b）]。LVP中的压力产生效率还取决于压砧的TEL，通常，压力产生效率随着TEL的减小而增加[29]。在本研究中，TEL为8 mm和5 mm的WC压砧应用于产生23 GPa以下的压力，而TEL为4 mm、3 mm和1.5 mm的WC压砧用于产生23 GPa以上的压力。

2.3 组装体

组装体的设计决定了样品在八面体传压介质中的安置方式，对于同时产生高压、高温（HPHT）条件尤为关键。不当的设计可能会频繁引发放炮和加热失效，这已在先前的研究[6]中观察到。我们采用了六种不同的组装体，以测试加热稳定性和压力产生效率，分别为14/8、10/5、10/4、8/3、7/3和6/1.5型组装体，其中组装体名称依据经典的八面体边长（OEL）/截角边长（TEL）方法命名。

14/8、10/5、10/4和8/3型组装体的部分部件由COMPRES供应[30]，采用MgAl2O4陶瓷八面体作为传压介质。在14/8型组装体中，采用了薄石墨管作为电阻加热体，而在其他COMPRES组装体中，则采用了折叠成直桶圆柱形的铼箔作为加热体。LaCrO3和ZrO2被加工成不同的尺寸和形状，以包覆加热体，进行保温隔热。温度通过安装在加热体中心附近的W97Re3-W75Re25（D型）或W95Re5-W74Re26（C型）热电偶进行测量。热电偶通过铜线圈保护，并使用莫来石管和四孔氧化铝塞进行电气绝缘。14/8、10/5(4)和8/3型组装体的三维轴向截面图见附录A中的图S2。

为了提高实验性能，本研究还进行了若干其他设计调整。在使用10/5型组装体的实验中，铼箔加热体被尝试更换为成本更低的钽箔。热电偶以不同的方式和位置连接，以确定最有效和最准确的测量方法。此外，叶蜡石垫片通常被设计为完美填充相对较大的八面体和相对较小的截顶边长组合而产生的压砧间隙。在本研究中，通过将垫片厚度从2.83 mm减少到2.38 mm，发现10/4型组装体的压力产生效率显著高于我们早期的研究[25]。垫片的参数细节见表S2。

先前的研究表明，较小的组装体（如7/3和6/1.5型）更有可能达到30 GPa以上压力，因为施加的力集中在较小的区域[25,27]。因此进一步优化这些组装体是本研究的重点。前期的6/1.5和7/3型设计结构相同，仅在尺寸上有所不同，两者均已被证明能在高压实验中有效工作[图3（a）中的二维剖面设计图和图S3（a）中的三维版本] [25]。由日本Mino Ceramic 公司供应的半烧结Cr2O3掺杂（5 wt.%）MgO八面体（维氏硬度：400 MPa）被用作传压介质。这些正八面体在面心上进行了钻孔加工，于丙酮中用超声波清洗，并在1273 K下再烧结以去除可能的杂质。为了进一步优化性能，本工作对每个组装体进行了以下新的调整。

7/3型组装体通常用于压力低于30 GPa的常规实验。此前的7/3型组装体设计能够在高温下回收直径约1.5 mm、高度约2.0 mm的较大样品[25]。然而，加热体与样品和热电偶直接接触，增加了共熔或化学反应的可能性。我们将双折叠封闭铼桶加热体更换为直管型铼加热体[图3（b）和图S3（b）]。金属加热体的厚度为50 μm。样品不直接安置在加热体中，而是通过MgO或致密氧化铝管加以保护。热电偶也通过氧化铝管与铼加热体隔离，从而最大限度地减少不稳定加热的风险。单次实验中回收了两个样品，每个样品的高度为1.0~1.3 mm，直径为1.0~1.4 mm。

在使用倒角压砧时，6/1.5型组装体能够在不牺牲相对较大样品体积（约2 mm3）的情况下，实现更高的压力。组装体采用直径为0.5 mm的钼柱作为电极，如图3（a）和图S3（a）所示。硬质ZrO2陶瓷（维氏硬度为600 MPa）用于包覆加热体。厚度为25 μm的铼箔被折叠成双层封闭圆柱形加热体以包覆样品。热电偶在隔热材料和铼加热体之间的末端被弯曲，从而实现与金属加热体的直接导电接触。金属加热体仅约50 μm厚，且在高压、高温条件下容易发生严重变形，通过对组装体进行简单调整，可以改善加热失效问题。具体而言，由于致密氧化铝的体积模量（约240 GPa）高于MgO（约160 GPa）[31]，因此高温（1500 K以上）实验中，在加热体内部增加薄的氧化铝管可以防止加热体脆性形变[图3（a）、图S3（a）]。有或没有致密氧化铝管的情况下，样品体积分别约为2.2 mm3或1.0 mm3。为了防止氧化铝与样品发生化学反应，在某些实验中，样品被封装在额外的一层铂或铼箔中。

产生超高压需要精确的组装体对称性。叶蜡石垫片的均匀尺寸对于Kawai组装体在HPHT实验中的正确对中也十分重要。对用于6/1.5型组装体的垫片进行了倒角处理[图2（b）]，并在实验室自行加工，使其尺寸比我们之前研究中的更为均一；特别是，新的铣削方法将垫片厚度误差从±0.05 mm降低到±0.02 mm。

2.4 压力校正方法

在本研究中，根据ZnTe（I‒II相变点6.6 GPa；II‒III相变点8.9 GPa；III‒VI相变点12.9 GPa）、GaAs（半导体-金属转变18.3 GPa）和GaP（半导体-金属转变23 GPa）的压致相变造成的电阻不连续转变，对上述组装体和WC压砧在室温下的压力进行了校正，如图4所示[25,32‒36]。通过两线法测量以上半导体材料电阻随压力的变化。测试需要在八面体面中心钻孔，将孔径为1.0 mm、高度为0.8~1.0 mm的样品放置于铜柱电极之间[图4（b），插图]。

如前所述，新型ZK01F压砧的硬度与我们前期研究中使用的ZK01F相同[25]。原则上，使用这些新WC压砧的压力产生效率在同一组装体中与前代压砧相同。因此，对于6/1.5型组装体，我们参考了前代ZK01F的室温压力校正结果[37]。锆（ω‒β相变压力为34.5 GPa）的电阻随压力变化的测量实验在前代ZK01F压砧中通过四线法进行，每个八面体传压介质通过金刚石锯切割成两等份，在暴露出的切面中心固定一层薄锆箔（厚度约100 μm），并通过四根铜线将电信号引导至八面体四个面的中心（图S4）。四线法的进一步细节已在我们之前的报道[25]中提供。在本研究中，我们专注于使用新型ZK01F压砧进行高温下的压力校正。

更高压力下的压力校正更加困难，因为缺少适用于23 GPa以上的室温压力校正物质。MgSiO3钙钛矿（以下简称布里奇曼石）中的Al2O3含量取决于压力和温度条件，可以根据MgSiO3-Al2O3系统的相图，通过淬火卸压样品中布里奇曼石的Al2O3含量来确定高温下达到的最高压力[38‒39]。在本研究中，采用Mg3Al2Si3O12玻璃或MgAl2SiO6氧化物混合物作为HPHT实验的初始材料。我们对回收样品的形貌和元素组成进行了分析，使用的设备和测试条件为：FE-SEM设备和电子探针显微分析仪（EPMA; JXA-8230, JEOL Ltd., Japan），加速电压为15 kV，束流电流为2 nA，橄榄石作为镁和硅元素的标准样品，石榴石作为铝的标准样品。

3 室温下的压力校正

为了确定特定组装体设计和压砧类型如何影响压力产生效率，我们比较了一些代表性物质的高压相变点与施加的载荷力（油压）之间的关系（图5）。每条压力校正曲线基于至少3~4个室温相变结果进行拟合和外推。在相同的8/3型组装体条件下[图5（a）]，新型ZK01F压砧的压力产生效率与F08压砧相当，因为其压砧的硬度非常接近。这两种压砧类型通过外部载荷油压-样品腔压力关系的外推，在油压超过500 bar时能够产生超过25 GPa的压力。对于7/3型组装体，新型ZK01F压砧的压力产生效率低于更硬的Hawedia压砧，并且需要比后者高约56 bar的油压才能达到GaP相变点（23 GPa）[图5（b）]。不同组装体的压力极限通常与OEL/TEL比值呈正相关。然而，拟合曲线显示，无论压砧类型如何，8/3型组装体在高压区域（>20 GPa）的压力产生效率均略低于7/3型组装体。这一结果部分由于8/3型组装体实验中使用的垫片较厚且较宽（表S2）[27‒28]。为了定量分析垫片尺寸在Walker型LVP高压实验中的影响，我们对10/4型组装体进行了前述改进。值得注意的是，改进后的10/4型组装体能够稳定产压，无放炮现象发生，在470 bar（约7.0 MN）下达到了23 GPa。这显著优于我们前期研究中所需的压力（约9.0 MN）[25]。压力低于23 GPa的常规实验中，其他大尺寸组装体的压力校正结果见图S5，图中对所有本工作测试过的组装体进行了横向比较。

压砧屈服是限制压力产生效率的主要因素。我们测量了WC压砧在23 GPa卸压后，在3 mm截角边缘处的平均塑性形变。Hawedia压砧在截角边缘附近的塑性形变相对较小（图6），而其他两种型号压砧的塑性形变量之间的差异可忽略不计。较小的塑性形变表明，压砧在压力下较不容易屈服，从而提供了更高的压力产生效率。我们的校准结果与压砧的机械性能一致：Hawedia压砧稍硬且在高压下较不易屈服，因此在23 GPa时具有更高的压力产生效率，而新型ZK01F和F08压砧在压力产生效率上仅表现出微小差异[图5（a）、（b）]。

更重要的是，有倒角的压砧产压效率显著高于无倒角的压砧[图5（d）] [25]。在本工作中，30 GPa以上的压力仅在与倒角压砧配合的6/1.5型组装体中实现。基于前人的报道，通过更硬的碳化钨压砧压缩边长小于1.5 mm的八面体传压介质是产生更高压力的必要条件之一[21,27]。

4 高温下的压力校正

图7总结了各型组装体中铼加热体的加热效率。如图7（a）所示，对于同种10/5型组装体，铼加热体的加热效率通常随着压力的增加而降低。基于温度与加热功率之间的关系，我们实现了不同压力下超过2000 K的温度。图7（b）展示了所有经过测试的不同尺寸组装体在超过18 GPa时产生超过2000 K高温的加热性能。在10/4型组装体中，温度与加热功率关系出现非线性增长的现象，在加热功率不变时温度持续升高，这是由于加热速率过快所致。相同的“非线性”温度增长现象也在8/3和7/3型组装体中观察到，如图7（b）所示。

在20 GPa的压力下，我们对10/5型组装体中钽和铼的加热体行为进行了比较[图S2（b）]。采用激光切割将钽加热体加工成与商业COMPRES铼加热体相同的尺寸，因此可以在不修改组装体设计的情况下更换原有加热体。如图S6所示，热电偶在约2500 K时失效，但加热功率保持稳定，意味着两种金属加热体在加热功率增加时都有潜力达到更高的温度。

通过使用电子探针显微分析仪（EPMA）和FE-SEM结合能谱分析（EDS），测试卸压样品布里奇曼石中的Al2O3含量，我们进行了高温下的压力校正[38‒39]。校准后，两种元素分析方法测量得到的Al2O3含量差异小于2%。在此，我们采用EPMA的测试结果对8/3和6/1.5型组装体合成的三个样品进行了分析。7/3型组装体的结果则通过FE-SEM结合EDS获得。样品的背散射电子图像见图8。在650 bar和2000 K条件下8/3和7/3型组装体合成的样品中，布里奇曼石晶粒与刚玉共存[图8（a）、（b）]。图8（c）展示了在450 bar和约2100 K条件下6/1.5型组装体中的样品背散射图像。6/1.5型组装体在600 bar、约1950 K下合成的样品中，几乎为单一相的布里奇曼石，并未发现刚玉[图8（d）]。该样品中缺少刚玉晶粒可能是由于其尺寸为超出FE-SEM分辨率的小晶粒，或者这些微小的间隙晶粒可能已被抛光脱落。

对于8/3和7/3型组装体，样品在预压至650 bar（约9.7 MN）后，稳定加热至2000 K，保温1 h。来自8/3型组装体卸压的样品，其布里奇曼石中（8.67 ± 0.08）wt.% Al2O3对应的压力为(25.9 ± 0.1) GPa（表S3）。而来自7/3型组装体的样品中，布里奇曼石中的Al2O3含量为（14.1 ± 1.2）wt.%，表明在2000 K下压力达到（29.4 ± 1.7） GPa。

在压力超过36 GPa时，使用6/1.5型组装体和前代ZK01F压砧时经常发生放炮现象，这归因于WC压砧的质量和Kawai组装体的不均匀受压（菱面体形变）。在本工作中，如图1和表S1所示，由于新型ZK01F压砧中烧结颗粒粒径的标准差较小，其颗粒尺寸分布更为理想。加工精度更高的垫片、硬质Al2O3管和ZrO2圆柱进一步优化了组装体设计。通过调整聚酯薄膜和组装体的厚度，增强了一级压砧和二级压砧的初始对中性。以上所有技术改进使得组装体能够在超过400 bar的压力下工作，并且减少放炮现象。因此，利用Walker型LVP可以成功进行超高压高温实验。于450 bar（约6.7 MN）和2100 K条件下合成的布里奇曼石中Al2O3含量（质量分数）为（22.64 ± 0.53）wt.%，表明压力达到约（37.3 ± 0.9） GPa（表S3）。在500 bar以上（约7.5 MN）的实验中，放炮率提高，这可能是由受压不完全对称造成。在600 bar（约9.0 MN）和1950 K条件下成功取回的样品中，观察到（20.95 ± 0.21）wt.%的Al2O3掺杂入布里奇曼石，表明至少达到了(40.4 ± 0.4) GPa的超高压（表S1、表S3）。

与具有高对称性和定制的Osugi型（DIA）LVP相比，Walker型LVP由于单轴压缩引起的Kawai组装体菱面体形变，在高温下通常难以实现超过35 GPa的压力。通过采用倒角压砧、新型ZK01F碳化钨压砧、优化的组装体和垫片，以及调整压砧对中性，我们将Walker型LVP在1950~2100 K的温度下的最高压力提高到约40.4 GPa，显著高于其他商业LVP，并创造了Walker型LVP新的温压纪录（图9）[17,19‒21,25,40‒41]。此外，在Osugi型LVP中，使用TF05和TJS01压砧在2000 K下观察到的48~52 GPa的超高压是在15 MN的载荷下实现的[19‒21]，超过了我们Walker型LVP的约10 MN最大载荷。与先前研究的详细比较见表S1。综上，我们推测，根据图5（d）所示的载荷-压力关系趋势，如果在商业Walker型LVP中提供比目前更大的压机载荷（>10 MN），通过使用新型ZK01F压砧和优化的组装体，可以使用更通用的技术达到比40 GPa更高的压力。

5 应用

在Walker/Osugi（DIA）型LVP中，高温下的超高压产生在材料科学、化学、物理学及地球科学等多个领域具有广泛的应用。在本节中，我们总结了部分基于早期研究和我们最近的LVP技术的代表性应用。

由于碳的多样键合结构和数百种可能的同素异形体，其在高压下被广泛研究[42]。超过35 GPa的压力已被证明对于调整不同碳前体的杂化和相变非常有效[43‒47]。与传统的结晶碳相（如金刚石和石墨）相比，非晶碳（AC）因其物性可调和及其在各种应用中的重要性而受到越来越多的关注[48‒49]。利用我们为Walker型LVP开发的超高压技术，我们探索并拓展了C60富勒烯在20~37 GPa压力和723~1900 K温度范围内的相图[图10（a）] [47]。在这些极端条件下合成了一系列具有不同sp3杂化含量的毫米级无定形碳样品。其中，一个代表性样品AC-7，在37 GPa和1273 K下合成，并展示在图10（b）[47]中，它是一种纳米晶金刚石（直径≈10 nm）镶嵌在非晶碳基体中的复合材料。有趣的是，在27 GPa和1273 K条件下回收的样品AC-3（接近碳笼塌缩的压力）是一种以前未报道过的几乎纯sp3杂化的超硬非晶碳块体。这些大尺寸非晶碳样品足够大，有利于详细表征，进一步确认了它们是一组超硬（维氏硬度高达102 GPa）、热导率高（26 W·m-1·K-1）且带隙可调（1.85~2.79 eV）的材料[图10（b）] [47]。除了纯碳同素异形体，先进的LVP技术还为许多其他材料应用开辟了道路，包括超硬和超导B-C二元材料体系的研究（如掺硼金刚石、BC3和BC5），以及复杂化合物和复合材料合成，如Re2(N2)(N2) [50‒57]。我们的超高压LVP技术最近被应用于核壳结构纳米晶体的研究。这种复合材料通常具有优异的特性，如高能量转换效率和高光致发光量子产率。我们在35 GPa下合成了一种B31相核壳MnSe/MnS纳米棒的块体样品，确保样品数量足够大，以进行精确的磁性测量。合成的样品具有132 K的奈尔温度。该奈尔温度在Mn基半导体纳米材料中相对较高，具有信息存储、自旋电子学和传感等应用前景[58‒60]。

探索地球内部的组成与结构是一个至关重要的科学议题。我们应用超高压技术，对含铝MgSiO3布里奇曼岩为主要成分的下地幔进行研究，研究了其在高达40 GPa、2000 K条件下的水溶解度和氧空位。我们在约750 km深度的下地幔顶部条件（约26 GPa，1700~2000 K）下，成功合成了高质量且尺寸较大的含铝MgSiO₃布里奇曼岩单晶。这些晶体并不含水，即使考虑了氧空位的存在（图11）[39,61]。鉴于早期研究提出的氧空位可能是水的赋存载体，结果显示，随着深度增加到1000 km（约40 GPa、2000 K），布里奇曼石中的氧空位溶解度明显下降至接近零[图11（a）] [39]。因此，我们推断，下地幔中的大部分区域近乎干燥，这是由于该区域主要由体积比约为80%、接近无水形态的布里奇曼岩所占据。布里奇曼岩中氧空位含量随所处地幔深度增加而迅速减小，降低原子扩散率[39]，从而导致地幔黏度升高，这或可解释在660~1000 km深度范围内出现的中下地幔板块滞留现象[62]。本研究提出的LVP超高压技术可用于测量在更深地幔条件下合成的矿物的声速、电导率和热导率，为更深入理解地球内部提供了更多物理和化学层面的见解。

6 结论

我们在Walker型LVP中同时产生了约40 GPa和约2000 K的超高压和高温极端条件。采用表面倒角的硬质WC压砧、由硬质材料组成的优化组装体和尺寸均一的垫片（密封边），以及Kawai腔体的高精度初始对中性，显著提高了高温下的压力产生性能。这一通用高压技术可用于在35~40 GPa压力和高温条件下进行常规实验，已被应用于毫米级超硬无定形碳和核壳纳米晶体的高压相的合成与表征，还被用于研究下地幔矿物中的水存储，以更好地理解地球内部的水循环。LVP中实现的更宽温度和压力范围，拓展了其未来在科学和工业各领域应用的可能性。

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