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マルチアンビルプレス、またはアンビルプレスとは、機械プレスの一種で、小さな体積内に非常に高い圧力を発生させるために使用される装置である。
アンビルプレスは、材料科学や地質学において、極度の圧力下での材料のさまざまな相の合成と研究、および貴重な鉱物、特に合成ダイヤモンドの工業生産に使用されます。これは、地球深部に存在する圧力と温度を模倣しているためです。これらの装置は、岩石、鉱物、セラミック、ガラス、複合材料、金属などのミリメートルサイズの固体相サンプルを同時に圧縮および加熱することができ、25 GPa（約250,000気圧）を超える圧力と2,500 °Cを超える温度に達することができます 。これにより、地球内部を研究する鉱物物理学者や岩石学者は、地表付近から深さ700 kmまでの領域に広がる岩石圏と上部マントル 全体に見られる条件を実験的に再現することができます。サンプルに圧力を加えることに加えて、この実験では、装置内の炉に電流を流して、最高2,200 °Cの温度を発生させます。[ 1 ]ダイヤモンドアンビルセルや軽ガス銃はさらに高い圧力にアクセスできますが、マルチアンビル装置ははるかに大きなサンプルに対応できるため、サンプルの準備が簡素化され、測定の精度と実験パラメータの安定性が向上します。
マルチアンビルプレスは、比較的珍しい研究装置である。ローレンス・リバモア国立研究所の2台のプレスは、セラミックスや金属の拡散と変形、深発地震、鉱物相の高圧安定性など、さまざまな材料特性の研究に用いられてきた。
6-8 マルチアンビル装置は、加圧油に吊り下げられた分割鋼球を使用して、河合と遠藤[ 2 ]によって導入され、後に油圧ラムを使用するように改良されました[ 3 ]。1990 年、ウォーカーら[ 4 ]は、取り外し可能なハットボックス設計を導入することで最初の圧縮段階を簡素化し、通常の機械プレスをマルチアンビルシステムに変換できるようにしました。ウォーカー鋳造品[ 5 ]や COMPRES アセンブリ[ 6 ]など、さまざまなアセンブリ設計が導入され、標準化されています。最近の進歩は、現場での測定、および材料と校正の標準化に焦点を当てています。
典型的な河合セル8-6マルチアンビル装置は、エアポンプでオイルを加圧し、垂直油圧ラムを駆動してハットボックスと呼ばれる円筒形の空洞を圧縮します。この空洞には、上向き3つと下向き3つの計6つの鋼製アンビルが配置され、8つの炭化タングステン立方体に収束します。これらの立方体の内側の角は、八面体アセンブリに合うように切り取られています。これらの八面体は、辺の長さが8mmから25mmまでで、実験条件の範囲で延性変形する酸化マグネシウムなどの材料で構成されており、実験が静水圧応力下にあることを保証します。このアセンブリが圧縮されると、立方体の間から押し出されてガスケットを形成します。実験を収容するために、対向する2つの面の間に円筒がドリルで開けられています。加熱が必要な実験では、円筒形の黒鉛またはランタンクロマイト製の円筒炉が周囲に配置され、電気抵抗によってかなりの熱を発生させることができます。しかし、グラファイト炉は高圧下ではダイヤモンドに変化する傾向があるため、問題が生じる可能性がある。DIAマルチアンビルは河合セルの主な代替手段であり、6つのアンビルを使用して立方体のサンプルを圧縮する。[ 4 ]
原理的には、マルチアンビルプレスは機械プレスと設計が似ているが、力が加えられる面積を小さくすることで圧力を増幅させる力増幅法を用いている点が異なる。
これはてこが利用する機械的利点に似ていますが、力が角度方向ではなく直線方向に加えられる点が異なります。たとえば、一般的なマルチアンビルでは、表面積が 346.41 mm2 の10 mm 八面体アセンブリに9,806,650 N (1000 tの荷重に相当) を加え 、サンプル内部に 28.31 GPa の圧力を発生させることができますが、油圧ラムの圧力はわずか 0.3 GPa です。したがって、より小さなアセンブリを使用することで、サンプル内の圧力を高めることができます。適用できる荷重は、特に加熱実験の場合、炭化タングステンキューブの圧縮降伏強度によって制限されます。 炭化タングステンの代わりに 14 mm 焼結ダイヤモンドキューブを使用することで、さらに高い圧力、最大 90 GPa を達成しています。[ 7 ]
ほとんどのサンプル分析は、実験が急冷され、マルチアンビルから取り出された後に行われます。しかし、その場で測定を行うことも可能です。熱電対や圧力可変抵抗器などの回路をアセンブリに組み込むことで、温度と圧力を正確に測定できます。音響干渉法は、材料を通過する地震波速度を測定したり、材料の密度を推測したりするために使用できます。 [ 8 ]抵抗率は、複素インピーダンス分光法によって測定できます。[ 9 ]磁気特性は、特別に構成されたマルチアンビルで増幅核磁気共鳴を使用して測定できます。 [ 8 ] DIA マルチアンビル設計には、タングステンアンビルに組み込まれたダイヤモンドまたはサファイアの窓が含まれていることが多く、これによりX 線または中性子がサンプルに浸透できます。[ 10 ]このタイプのデバイスにより、シンクロトロンおよび中性子破砕源の研究者は、極限条件下でサンプルの構造を測定する回折実験を実行できます。[ 11 ]これは、低温と低圧では運動学的にも熱力学的にも不安定な物質の不可避相を観察するために不可欠です。[ 12 ]高圧溶融物の粘度と密度は、沈降浮遊法と中性子トモグラフィーを使用してその場で測定できます。この方法では、周囲の物質と比較して密度と中性子散乱特性が異なる白金球などの物体をサンプルに埋め込み、溶融物中を沈降または浮上する物体の経路を追跡します。浮力の異なる2つの物体を同時に使用して密度を計算できます。[ 8 ]
圧力は温度と同様に、分子構造、ひいては材料の電気的、磁気的、熱的、光学的、機械的特性に影響を与える基本的な熱力学的パラメータです。マルチアンビル装置のような装置を用いることで、高圧が材料の構造や特性に及ぼす影響を観察することができます。マルチアンビルプレスは、特に高圧高温（HPHT）合成ダイヤモンドやc-窒化ホウ素など、極めて純度、サイズ、品質の高い鉱物を製造するために産業界で時折使用されています。しかし、マルチアンビルは高価な装置であり、非常に汎用性が高いため、科学機器として使用されることが多いです。マルチアンビルには、主に次の3つの科学的用途があります。1）新規高圧材料の合成、2）材料の相変化、3）高圧下での材料の特性の調査。材料科学においては、これには高圧超伝導体や超硬質物質など、機械的または電子的応用が期待される新規または有用な材料の合成が含まれます。[ 13 ]地質学者は主に、直接観察できない地質学的プロセスを研究するために、地球深部で見られる条件と物質を再現することに関心を持っています。鉱物や岩石を合成して、さまざまな鉱物相や組織の原因となる条件を見つけます。地球科学者はまた、マルチアンビルを使用して、極限条件下での岩石の反応速度、密度、粘度、圧縮率、拡散率、熱伝導率を測定します。[ 14 ] [ 15 ]
