可控的增压速率对于新型材料的制备、物质亚稳相转变、相变动力学及压缩科学的研究具有重要的科学意义，在物理、材料、化学、地球及交叉科学领域具有广阔的应用前景。介于传统静高压（等温过程）和动高压（等熵过程）之间的毫秒级增压过程是一种特殊的物理加压方式，对材料的耐冲击等服役性能提出更为苛刻的要求，提高其快速增压水平在国际上的研究极具挑战，相关报道较少。国内外研究团队基于活塞圆筒和布里奇曼大腔体高压模具，针对毫米级样品，先后在20-100 ms内实现了5-5.8 GPa的压力加载，在非晶材料的制备和材料的物性参数等研究取得了重要进展。然而，如何控制压力加载速率、提高压力加载极限来探索和制备新型材料仍是压缩科学领域的重要难题。

针对这一难题，吉林大学刘冰冰、刘兆东教授研究团队，在国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置-高温高压大体积材料研究系统”研制的1000吨快速增压大腔体压机上，建立了大腔体快速压机快速加载实验关键技术，实现了在20 ms内极短时间内压力加载极限超15 GPa和增压幅度超10 GPa的极端高压环境，增压速率最高可达633.5 GPa/s，打破了目前国际上毫秒级增压的技术水平，是目前国际上已报道的最高的毫秒级压力加载水平的记录，是综合极端条件实验装置取得又一项重大技术突破，为科研用户开展压缩科学和新材料制备提供关键装置和技术保障，相关研究成果于2024年10月17日以“A rapid compression large-volume press with a high pressure jump above 10 GPa within milliseconds”发表在Review of Scientific Instruments学术期刊上。

图1.快速压力加载大腔体压机

研究团队创新性地将6-8型Walker模具引入快速增压大腔体压机，并且将囊式增压储能器与自主发展的国产碳化钨压砧增压关键技术紧密结合，在毫米级腔体内首次成功测量了动高压下的压标物质的电导率，实现5-16GPa快速压力的加载，并且实现了10⁻²到633.5 GPa/s不同速率的可控压力加载，提升了大腔体压机快速压力加载速率和极限,研究发现富勒烯在传统静高压和毫秒级增压环境下展现出一定的相变的差异性，为未来新型材料的制备提供关键技术保障。

图2.6-8型加压模具和快速增压数据

本研究有效地提高了国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置—高温高压大体积材料研究系统”的非平衡高温高压用户装置的技术水平，为极端条件下新型材料的探索，以及物理、材料、化学、地球科学、生命科学等不同学科之间的交叉与融通，提供新的压力加载维度，为研究和发现新物态、新现象、新规律和创造新材料提供国际一流的综合极端实验条件。

“高温高压大体积材料研究系统”是我国国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置”重要组成部分，已建成国际先进的大体积高温高压用户实验装置，可极大提升中国在物质科学及相关领域的基础研究与应用基础研究综合实力，该大科学装置已于2023年9月全面投入试运行，目前已助力我国科研用户在新型超硬材料、发光功能材料、超导和强韧金属材料、地球深部物质科学和行星科学等领域提供重要支持。

吉林大学胡阔助理研究员为论文第一作者，刘兆东教授、刘冰冰教授为论文共同通讯作者。该研究得到国家重大科技基础设施、国家重点研发计划、国家自然科学基金、吉林大学科技创新团队等项目的资助支持。

原文信息：

Kuo Hu, Ran Liu, Shucheng Liu, Bingtao Feng, Saisai Wang, Di Yao, Xuyuan Hou, Hongyu Li, Qiang Zhou, Zhaodong Liu and Bingbing Liu; A rapid compression large-volume press with a high pressure jump above 10 GPa within milliseconds. Rev. Sci. Instrum. 95, 103905 (2024); https://doi: 10.1063/5.0226018

参考文献：

R. Boehler, I. C. Getting, and G. C. Kennedy, J. Phys. Chem. Solids 8, 233–236 (1977).

S. M. Hong, L. Y. Chen, X. R. Liu, X. H. Wu, and L. Su, Rev. Sci. Instrum. 76, 053905 (2005).

W. J. Evans, C. Yoo, G. W. Lee, H. Cynn, M. J. Lipp, and K. Visbeck, Rev. Sci. Instrum. 78, 073904 (2007).