Una prensa de yunque múltiple, o prensa de yunque, es un tipo de dispositivo relacionado con una prensa de máquina que se utiliza para crear presiones extraordinariamente altas dentro de un volumen pequeño.
Las prensas de yunque se utilizan en ciencia de materiales y geología para la síntesis y estudio de las diferentes fases de materiales bajo extrema presión, así como para la producción industrial de minerales valiosos, especialmente diamantes sintéticos , ya que imitan las presiones y temperaturas que existen en las profundidades del planeta. Tierra. Estos instrumentos permiten la compresión y el calentamiento simultáneo de muestras en fase sólida de tamaño milimétrico como rocas , minerales , cerámicas , vidrios , materiales compuestos o metales y son capaces de alcanzar presiones superiores a 25 GPa (alrededor de 250.000 atmósferas) y temperaturas superiores a 2.500 °C. Esto permite a los físicos minerales y petrólogos que estudian el interior de la Tierra reproducir experimentalmente las condiciones que se encuentran en toda la litosfera y el manto superior , una región que se extiende desde la superficie cercana hasta una profundidad de 700 km. Además de presionar la muestra, el experimento pasa una corriente eléctrica a través de un horno dentro del conjunto para generar temperaturas de hasta 2200 °C. [1] Aunque las celdas de yunque Diamond y las pistolas de gas ligero pueden acceder a presiones aún más altas, el aparato de yunque múltiple puede acomodar muestras mucho más grandes, lo que simplifica la preparación de las muestras y mejora la precisión de las mediciones y la estabilidad de los parámetros experimentales.
La prensa de yunque múltiple es una herramienta de investigación relativamente rara. Las dos prensas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore se han utilizado para una variedad de estudios de propiedades de materiales, incluida la difusión y deformación de cerámicas y metales, terremotos de foco profundo y la estabilidad de fases minerales a alta presión.
Kawai y Endo [2] introdujeron el aparato de yunques múltiples 6-8 utilizando una esfera de acero dividida suspendida en aceite presurizado, posteriormente modificada [3] para usar el ariete hidráulico. En 1990, Walker et al. [4] simplificó la primera etapa de compresión introduciendo el diseño de sombrerera removible, permitiendo convertir prensas de máquina ordinarias en sistemas de yunques múltiples. Se han introducido y estandarizado una variedad de diseños de ensamblajes, incluidos los ensamblajes calcinables Walker [5] y COMPRES. [6] Los avances recientes se han centrado en mediciones in situ y en la estandarización de materiales y calibraciones.
Un aparato típico de yunque múltiple de celda Kawai 8–6 utiliza bombas de aire para presurizar el aceite, que impulsa un ariete hidráulico vertical para comprimir una cavidad cilíndrica conocida como sombrerera. Esta cavidad está llena de seis yunques de acero, tres hacia arriba y tres hacia abajo, que convergen en un conjunto de ocho cubos de carburo de tungsteno . Las esquinas interiores de estos cubos se truncaron para adaptarse a un conjunto octaédrico . Estos octaedros varían de 8 mm a 25 mm de borde y generalmente están compuestos de óxido de magnesio u otro material que se deforma dúctilmente en el rango de condiciones experimentales, para garantizar que el experimento esté bajo tensión hidrostática. A medida que este conjunto se comprime, sale entre los cubos, formando una junta. Se perfora un cilindro entre dos caras opuestas para acomodar el experimento. Los experimentos que requieren calentamiento están rodeados por un horno cilíndrico de grafito o cromita de lantano , que puede producir un calor considerable mediante resistencia eléctrica. Sin embargo, el horno de grafito puede resultar problemático a presiones más altas debido a su tendencia a transformarse en diamante. El multi-yunque DIA es la principal alternativa a la celda Kawai: utiliza seis yunques para comprimir una muestra cúbica. [4]
En principio, la prensa de yunques múltiples tiene un diseño similar a una prensa de máquina, excepto que utiliza un aumento de fuerza para amplificar la presión al reducir el área sobre la cual se aplica la fuerza:
Esto es análogo a la ventaja mecánica utilizada por una palanca , excepto que la fuerza se aplica linealmente, en lugar de angularmente. Por ejemplo, un yunque múltiple típico podría aplicar 9.806.650 N (equivalente a una carga de 1000 t ) sobre un conjunto octaédrico de 10 mm, que tiene un área de superficie de 346,41 mm2, para producir una presión de 28,31 GPa dentro de la muestra, mientras que el La presión en el ariete hidráulico es de apenas 0,3 GPa. Por lo tanto, el uso de conjuntos más pequeños puede aumentar la presión en la muestra. La carga que se puede aplicar está limitada por el límite elástico de compresión de los cubos de carburo de tungsteno, especialmente en experimentos con calor. Se han logrado presiones aún más altas, de hasta 90 GPa, utilizando cubos de diamante sinterizado de 14 mm en lugar de carburo de tungsteno. [7]
La mayoría de los análisis de muestras se realizan después de que el experimento se apaga y se retira del yunque múltiple. Sin embargo, también es posible realizar mediciones in situ. Se pueden incorporar circuitos, incluidos termopares o resistencias de presión variable, en el conjunto para medir con precisión la temperatura y la presión. La interferometría acústica se puede utilizar para medir velocidades sísmicas a través de un material o para inferir la densidad de materiales. [8] La resistividad se puede medir mediante espectroscopia de impedancia compleja. [9] Las propiedades magnéticas se pueden medir utilizando resonancia magnética nuclear amplificada en múltiples yunques especialmente configurados. [8] El diseño de yunque múltiple DIA a menudo incluye ventanas de diamante o zafiro integradas en los yunques de tungsteno para permitir que los rayos X o los neutrones penetren en la muestra. [10] Este tipo de dispositivo brinda a los investigadores de fuentes de espalación de neutrones y sincrotrones la capacidad de realizar experimentos de difracción para medir la estructura de muestras en condiciones extremas. [11] Esto es esencial para observar fases inextinguibles de la materia porque son cinética y termodinámicamente inestables a bajas temperaturas y presión. [12] La viscosidad y la densidad de las masas fundidas a alta presión se pueden medir in situ utilizando el método de flotación hundida y tomografía de neutrones. En este método, se implantan objetos en una muestra, como esferas de platino, que tienen diferentes densidades y propiedades de dispersión de neutrones en comparación con el material que las rodea, y se sigue la trayectoria del objeto a medida que se hunde o flota a través de la masa fundida. Se pueden utilizar simultáneamente dos objetos con flotabilidad contrastante para calcular la densidad. [8]
La presión, al igual que la temperatura, es un parámetro termodinámico básico que influye en la estructura molecular y, por tanto, en las propiedades eléctricas , magnéticas , térmicas , ópticas y mecánicas de los materiales. Dispositivos como el aparato de yunque múltiple nos permiten observar el efecto de la alta presión sobre la estructura y las propiedades del material. Las prensas de yunque múltiple se utilizan ocasionalmente en la industria para producir minerales de pureza, tamaño y calidad excepcionales, especialmente diamantes sintéticos de alta presión y alta temperatura (HPHT) y nitruro de c-boro. Sin embargo, los yunques múltiples son dispositivos de alto costo y muy adaptables, por lo que se utilizan más a menudo como instrumentos científicos. Los yunques múltiples tienen tres usos científicos principales: 1) sintetizar material novedoso de alta presión; 2) cambiar las fases de un material; 3) examinar las propiedades de los materiales a altas presiones. En la ciencia de los materiales, esto incluye la síntesis de materiales novedosos o útiles con posibles aplicaciones mecánicas o electrónicas, como superconductores de alta presión o sustancias ultraduras. [13] Los geólogos se preocupan principalmente por reproducir las condiciones y los materiales que se encuentran en las profundidades de la tierra, para estudiar procesos geológicos que no pueden observarse directamente. Los minerales o rocas se sintetizan para encontrar qué condiciones son responsables de las diferentes fases y texturas de los minerales. [ cita necesaria ] Los geocientíficos también utilizan yunques múltiples para medir la cinética de las reacciones , la densidad , la viscosidad , la compresibilidad , la difusividad y la conductividad térmica de la roca en condiciones extremas. [14] [15]
