超高压物理实验技术
物理实验技术中的高压实验原理解析
物理实验技术中的高压实验原理解析导语：高压实验是现代物理学研究中不可或缺的一种实验手段。
通过高压条件下的观测和研究，科学家们可以更好地理解物质的性质和行为。
本文将对高压实验的原理进行解析，探讨其在物理学领域中的重要作用。
一、高压实验的基本原理高压实验是利用外界施加压力的手段，改变物质的体积和性质，从而观察物质的行为和反应。
在实验中，通常使用压力容器或压力装置，如钢制高压反应釜、高压计等，来产生高压环境。
通过调控内部压力，观察物质在高压下的各种性质，如相变、电学、磁学等，并对物质的性质和行为进行实验研究。
二、高压实验的重要应用领域2.1 材料科学高压实验在材料科学领域中有着广泛的应用。
通过高压条件下的研究，研究人员可以改变晶体结构和晶格参数，探索新材料的合成和性能优化。
例如，通过高压实验，科学家们发现了超导材料、磁性材料等新领域的突破，为材料科学的发展提供了重要支持。
2.2 地球科学高压实验也对地球科学的研究产生了巨大影响。
在地学领域中，通过高压实验，研究人员可以模拟地球内部极端高压环境，研究地球内部的物质性质和岩石的形成过程。
例如，通过高压实验，人们揭示了地壳和地幔中的金属和非金属矿物物质的相变规律，为地球演化的理解提供了重要线索。
2.3 行星科学高压实验在行星科学中也发挥了重要作用。
科学家们通过模拟行星内部高压条件，研究行星内部物质的性质和行为，揭示行星的形成和演化过程。
例如，通过高压实验，科学家们模拟了火星的地壳和岩石的形成过程，推测出火星可能存在水和生命的可能性。
三、高压实验的实验技术3.1 高压装置高压实验需要使用特殊的高压装置。
目前常见的高压装置有钻石压砧装置和金属高压反应釜。
钻石压砧装置利用钻石的硬度和压砧的力量，将样品置于两颗钻石之间，通过外力施加高压。
金属高压反应釜则是一种常用的高压装置，可以在高压下进行化学反应。
3.2 高压测量技术高压实验需要准确地测量和调控实验环境中的压力。
超高压物理实验技术
superionic
200 200
Compression of H 2O
(300 K)
(GPa) Pressure Pressure (GPa)
Liquid-liquid
150 150
Ice X
高压物理实验技术
ftp://202.38.85.119
User:hp15 Password:hp15 Tel:63607671 Email:zzm@ 时间：二(3,4)，四(3,4) 考试：读书报告、开卷
参考文献
《大学物理实验》第四册 P327-339 《固体物理实验方法》(王华馥、吴自勤主编，高等教育出版社，1990 年)—第十二章：固体物理的高压研究方法 《地球深部物质科学导论》(谢鸿森著，科学出版社，1997年) 《实验环境技术—丸善实验物理学讲座第12卷》(本和光博、藤井保彦编， 丸善株式会社，2000年) 《High Pressure Experimental Methods》(M. Eremets，Oxford Sci. Pub.， 1996年) 《超高压－实验物理学讲座第18卷》(箕村茂编，共立出版株式会社， 1988年) 《High Pressure Methods in Solid State Research》(C.C. Bradley， Plenum Press，1969年) 《High Pressure Technology》(I.L. Spain、J.Paaue，Marcel Dekker， 1977年)
昂纳斯在进行实验
科学和技术中压力的历史发展
Bridgman对高压物理的贡献
P.W. Bridgman ( 美国哈佛大学教授，
1882-1961) 因为在高压物理领域的开 拓性贡献获得1946年诺贝尔物理奖。
高压实验技术基础-讲义
高压实验技术基础-讲义高压物理实验基础及水的相变在自然界中，压力、温度、化学组分是对物质结构和性质有普遍影响的三个重要变量。
高压物理学是研究物质在高压力作用下物理行为的学科，是以材料科、地球科学以及行星等学科为背景发展起来的。
高压物理的研究领域几乎包含凝聚态物理学的全部分支。
要获得高压下物质的行为信息，必须具备特殊精巧及专门的实验技术和实验方法，这是高压物理作为一门学科的另一个原因。
随着高压实验技术的快速发展，高压物理学得到了迅速发展。
高压研究可以发现物质的一些常压下不能表现出来的新现象，进而揭示新规律、新性能，乃至发现新物质，为研究物质性质和压力效应提供了新的途径；高压可以改变物质中原有电子的关联作用及电子与晶格的相互作用；压力可以改变过渡金属与稀土离子的配位场，使之出现发射光谱的频率移动，反映压力对这些离子的电子能级的调谐作用；压力可以使分子晶体、离子晶体、共价晶体中的某些电子由局域化变为共有化，使之成为导体；一些物质在高压下可以变成非晶，这种变化可以通过原子和分子集团的取向无序化而实现；压力还可以有效地改变物质中原子的电子自旋排列，使一些物质出现了铁磁（反铁磁）－顺磁相变，铁电相变、铁弹相变等等。
高压所引发的众多常压下难以观察到的新奇的物理现象，对于丰富和发展凝聚态理论具有重要的意义；高压下物质所呈现出的众多的新结构和新性质，是发现和截获具有新颖性质的新型材料的重要源泉。
因此，高压物理是以材料科学、地球物理学以及天文学的需要为背景发展起来的一门意义重大的物理学分支，是人类认识自然、开启宇宙之门的钥匙。
一、实验目的① 了解高压实验基本装置及其工作原理，掌握其组装及调试方法；② 掌握压力标定的基本方法，利用压机测量水在高压下的结构相变，利用红宝石标压法获得水的相变压力。
二、实验原理1、压力的单位及分类压力在生活中十分常见，如：人类生活在大气层里，感受到的是空气的压力；钉子之所以能够钉进木板，是因为在钉尖这个很小的面积上可以产生极高的压力；炸弹爆炸时，周围石块受到强气流冲击，在高的压力作用下飞出。
物理实验技术的高压实验方法
物理实验技术的高压实验方法引言：高压实验是物理研究中重要且广泛应用的一种实验方法，它通过施加高压条件，使得物质的性质发生变化或出现新的物理现象。
本文将探讨一些常用的高压实验方法和相关技术。
一、手动液压法手动液压法是最简单且常用的高压实验方法之一。
该方法主要通过手动操作液压杠杆，施加压力来实现高压条件。
在实验中，首先需要将待研究的样品放置在一个密封的小室内，然后通过液压杠杆不断增加压力，直至达到所需的实验压力。
然而，此方法的局限在于其操作压力有一定的限制，通常只适用于中等或低压的实验。
二、气体静压法气体静压法是另一种常见的高压实验方法，其原理是利用气体的力学原理，通过增加气体的压力来实现高压状态。
在实验中，待研究的样品被放置在一个密封的高压室内，通过向高压室内输入压缩气体，使其压力逐渐增大。
这种方法通常用于中等或较高压力的实验，但需要注意室内气体的选择和压力控制，以避免可能的爆炸或泄漏风险。
三、金刚石压痕法金刚石压痕法是一种用于高压实验的特殊方法，其核心是利用金刚石的硬度和抗压强度。
实验中，压痕仪器将金刚石压头与待研究的样品接触，然后施加压力，通过金刚石的切入和变形来测量样品的硬度或其他物理性质。
这种方法可用于高压下的硬度测量、压缩行为研究等。
然而，由于其需要的专业仪器较昂贵，金刚石压痕法常用于研究实验室或研究机构。
四、钻石压实法钻石压实法是一种用于高压实验的独特方法，其原理是将压力加载在一个装有样品的高压腔室中，然后通过压力来改变物质的性质。
实验中，通常是用钻石或其他硬质材料制成的针形压头施加压力。
这种方法通常用于研究物质的相变、结构变化等。
然而，由于仪器的成本相对较高，以及实验条件的复杂性，钻石压实法主要在大型实验室或研究机构中应用。
结论：高压实验是物理研究中重要且广泛应用的实验方法之一。
手动液压法、气体静压法、金刚石压痕法和钻石压实法等是常用的高压实验方法。
这些方法在物理实验中的应用使得研究者们能够深入了解物质的性质和行为，从而推动科学研究的发展。
高压实验技术在物理学研究中的应用与操作方法
高压实验技术在物理学研究中的应用与操作方法引言：高压实验技术是一项在物理学研究中广泛应用的重要工具，它不仅可以模拟极端条件下的物质行为，还可以深入研究物质的性质和相变规律。
本文将介绍高压实验技术的应用领域以及常用的操作方法。
一、高压实验技术的应用领域1. 物质相变研究：高压实验技术可以通过增加压力改变物质的相态，探索物质在不同压力下的相变规律，从而揭示物质的结构和性质变化。
2. 材料科学研究：高压实验技术可以改变材料的晶体结构和电子结构，研究材料在高压下的性能变化，从而寻找新材料或改进现有材料的性能。
3. 行星地球物理学：高压实验技术可以模拟地球内部的高压高温条件，研究地幔和核的物理性质，为地球内部结构和地震活动提供理论支持。
4. 密度泛函理论验证：高压实验可以提供实验数据来验证和完善密度泛函理论，从而更准确地计算材料的性质和相图。
二、高压实验的操作方法1. 高压装置的选择：常见的高压装置包括钻石压 Anvil Cell、气动高压装置和磁压装置等，选择适合研究需要的高压装置非常重要。
2. 样品的制备：准备样品时需要注意样品的纯度和尺寸，确保实验结果的准确性。
可以根据实验需要选择合适的制备方法，如固相反应合成、溶剂法制备等。
3. 高压的施加与控制：在使用钻石压 Anvil Cell 进行高压实验时，需要使用切割钻石作为钳子，通过旋转调节压力；而在气动高压装置中，则需要通过气体的压缩来实现高压。
高压的施加和控制需要根据实验要求进行，并注意保持稳定的压力条件。
4. 测量与分析：高压实验过程中需要对样品的性质和响应进行测量和分析。
常见的测量手段包括 X 射线衍射、拉曼光谱、透射电子显微镜等。
通过对实验数据的分析，可以获得样品的结构、相变温度等相关信息。
5. 安全与操作规范：由于高压实验涉及到较高的压力和各类气体，安全操作非常重要。
在进行高压实验前，需要进行相应的培训和了解相关实验室的安全规程，严格按照操作规范进行实验，确保人身安全和实验仪器的使用寿命。
物理实验技术中的超高压技术与材料学研究实验操作指南
物理实验技术中的超高压技术与材料学研究实验操作指南导语：超高压技术是材料学研究中的重要实验手段，通过利用高压条件下材料性质的变化来揭示其内在规律。
本篇文章将为读者介绍超高压实验中的操作指南以及相关研究技术。
一、超高压实验的基础知识超高压实验是利用设备将样品置于极高的压力下进行研究的一种实验手段。
在室温条件下，通常将压力高于6 GPa（60,000 atmospheres）的实验称为超高压实验。
超高压实验的核心设备是高压细胞，它由两个金属腔体组成，腔体之间放置样品。
高压细胞通常使用钨合金制成，能够承受高达100 GPa以上的压力。
为了实现高压，实验室通常使用石墨电极或钢块作为压力源，通过液体或固体作为传递介质，将压力传递到高压细胞中。
二、超高压实验的操作指南超高压实验的操作需要一定的技巧和经验，下面是一些常见操作指南供参考：1. 样品选择：样品的选择是超高压实验的基础。
首先需要确定要研究的材料以及压力下其可能的物理或化学变化。
然后选择适合的样品形式，例如晶体或粉末。
对于某些高压条件下不稳定的样品，还需要注意选择合适的容器材料和封装方法。
2. 实验设计：在进行超高压实验之前，需要仔细设计实验方案。
确定压力范围、温度条件、测试参数等，并制定相应的实验步骤和控制程序。
3. 设备准备：在操作前，需要进行一系列设备准备。
首先检查高压细胞和压力源的状态，确保其正常工作。
然后清洁和预处理实验用品，例如样品、密封材料等。
同时，检查和修复实验设备中可能的泄漏点，确保实验过程的安全性。
4. 实验操作：实验操作是超高压实验的关键步骤。
首先，将样品装入高压细胞，保证样品充分接触。
然后将高压细胞放入压力源中，并根据实验设计设置温度和压力条件。
在设定的实验参数下，记录样品的变化，例如电阻、磁性等。
5. 数据分析：实验结束后，需要对实验数据进行分析和解释。
根据实验结果，结合已有的理论和模型，推断材料在超高压条件下的表现和性质变化。
高压物理实验报告
超高压物理实验赵若灿（PB08000805）高压研究是研究物质性质的重要组成部分，能引导人们更好地理解大气压下的性质和现象以及只有在高压环境下才能出现的新效应。
该实验要求学生了解产生超高压的金刚石对顶砧装置，掌握产生高压的方法，学会利用火花放电技术在高压垫片上显微打孔（直径100微米左右），利用光学干涉条纹在显微镜下调整金刚石上下端面平行，利用DAC 装置，实现水等材料的高压相变。
红宝石荧光测量其主要作用是定标，红宝石在常温常压下荧光有两条谱线：694.2nm 和692.8nm ，而在高压下此谱线随压强增加而产生线性红移，由此得到定标方程：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=124.694)(4.248)(665.7nm GPa P λ（30-80GPa ） 下图为加压前后红宝石的光谱对比图，可以看到加压后谱线向右移动下图为实验测得的常压下的光谱图：DAC金属密封垫片打孔1、模具制作垫片垫片材质为钢片，将钢片放在模具上冲压，即可获得所需形状的垫片2、预压0.6mm的压砧中心30GPa：垫片厚度＝15mm预压：厚度为0.25-0.3mm的垫片预压成20mm3、钻针的制作剪断一截钨丝，将其弄直，然后插入针套里。
（选用钨丝是因为钨的熔点高，在火花放电时不会被腐蚀，保证打出的点比较圆）4、电火花腐蚀打孔流动介质为煤油，可以及时清除电火花腐蚀产生的碎屑，并防止钻针在空气中放电高压下水的相变下图为水的PT相图，在室温20摄氏度下，随压力增加，水由液相变为VI相，再变为VII相加压过程中实时观察的截图：第一张为液相水，第二张为由液相到VI变化的过程，第四张为VI到VII的变化过程，在加压过程中每增加等间隔的压力，需等待5分钟让压力变得均匀稳定后再继续增压，减压过程也需如此减压过程中实时观察的截图：上面八张截图显示了由VII到VI再到液相的变化过程实验总结：此实验比较关键的一步就是打孔，打的孔要尽可能接近圆形，否则在加压过程中钢片容易出现裂缝，而且在装载垫片的时候也很关键，如果前几次装载没有装载好，垫片的磨损会很大，就需要制作新的垫片，一次成功为最佳。
物理实验中的高压高温技术指南
物理实验中的高压高温技术指南导语:高压高温技术在物理实验中扮演着重要的角色。
无论是研究材料的相变行为，还是模拟极端条件下的天体物理现象，高压高温技术都是必不可少的工具。
本文将为读者介绍物理实验中的高压高温技术，并探讨其在研究领域中的应用。
一、高压高温技术的基本原理高压高温技术是指通过施加高压和高温来模拟实验环境中的极端条件。
实验中常用的高压装置主要包括钻石压腔、气体枪等。
高压装置可将实验样品置于极高压力下，从而实现物质在高压下的相变行为。
高温技术则是通过使用高温炉或激光等热源来提供高温环境。
在高温条件下，物质的分子运动加剧，原子之间的相互作用也将发生变化，这为研究物质的性质与行为提供了突破的机会。
二、实验中的高压高温技术应用2.1 材料相变研究材料的相变行为对于了解其性质具有重要意义。
在高压高温条件下，材料的相变行为可能发生变化。
例如，一些金属在高温高压下可出现新的相态，从而具备新的物理和化学性质。
这一点在研究高温高压下的材料变化以及新材料的合成中尤为重要。
2.2 行星内部模拟高压高温技术还可用于模拟行星内部的高温高压环境，进一步研究地球内部和其他行星的物质组成及性质。
实验中，通过高温高压装置使实验样品达到类似行星内部的温度和压力，从而模拟行星内部的化学反应和物理变化。
2.3 天体物理现象研究高压高温技术在天体物理学的研究中也发挥着重要作用。
例如，通过模拟恒星内部的高温高压条件，科学家可以研究核聚变反应以及星际物质的演化过程。
这有助于我们更好地理解宇宙中的复杂天体现象。
三、高压高温实验注意事项进行高压高温实验时，应注意以下几个方面：3.1 安全问题高压高温实验涉及到极端条件下的物质行为，这就意味着有潜在的安全风险。
实验者在进行实验时应采取必要的安全措施，如佩戴防护眼镜、手套和防爆衣物等。
3.2 仪器操作技巧高压高温实验需要使用特定的仪器和设备，如高压装置和高温炉等。
在操作这些仪器时，需要具备专业的技巧和知识，以确保实验的准确性和安全性。
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Xu, Mao et.al.: 550GPa (1986)
Narayana et.al. 342GPa Nature(1998)
高压物理研究的应用领域
★ 固体地球科学
地球深部的物质组成和存在形式 地壳、地幔、地核的相互作用和演化 行星的物质结构
★ 凝聚态物理、化学和材料科学
测量了一系列元素和化合物材料的高压 物性（压缩率、电导率、热导率、状态 方程、粘性、抗张强度）
超高压物理研究的历史
1941年，Bridgman开始高压金刚石的合成实验 。
Coes 首次合成出了柯石英 (Coesite) 及其它硅酸盐矿物。柯石英是 SiO2的高密度相，即高压相。
1955年，美国通用电气公司的Bundy, Hall, Strong, Wentof等人， 及瑞典ASEA公司的研究人员首次合成出人造金刚石。Wentof合成 了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼(BN)。 哈佛大学于 1933 年启动地球物理科学方面的一项研究计划， 1952 年Birch发表了“地球内部的弹性和组成”的论文。
P-T-X
Three Dimensions in Science
Temperature A ubiquitous variable in ALL physical and biological sciences Composition Chemistry and materials science
高压物理实验技术
ftp://202.38.85.119
User:hp15 Password:hp15 Tel:63607671 Email:zzm@ 时间：二(3,4)，四(3,4) 考试：读书报告、开卷
参考文献
《大学物理实验》第四册 P327-339 《固体物理实验方法》(王华馥、吴自勤主编，高等教育出版社，1990 年)—第十二章：固体物理的高压研究方法 《地球深部物质科学导论》(谢鸿森著，科学出版社，1997年) 《实验环境技术—丸善实验物理学讲座第12卷》(本和光博、藤井保彦编， 丸善株式会社，2000年) 《High Pressure Experimental Methods》(M. Eremets，Oxford Sci. Pub.， 1996年) 《超高压－实验物理学讲座第18卷》(箕村茂编，共立出版株式会社， 1988年) 《High Pressure Methods in Solid State Research》(C.C. Bradley， Plenum Press，1969年) 《High Pressure Technology》(I.L. Spain、J.Paaue，Marcel Dekker， 1977年)
Center of white dwarf Center of Jupiter
10-2 1 102
Water vapor at triple point Atmospheric pressure (sea level)
Center of Sun
Deepest ocean
104 106 108
Center of the Earth
对流层：海拔每升高100米，温度降低0.6度。 平流层：高度越大，温度越高。
高压技术和工业的早期历史
1680：Papin高压釜(骨头萃取) 1662：Boyle 定律 ：温度不变PV=常数 1802：理想气体的状态方程式 1826：Perkins，水的压缩，0.2GPa 1873：Van der Waals 方程
压力的历史发展
1989年获国际高压界最高奖— —布里季曼奖
Mao, Bell: 172GPa (1978) Bell, Mao: 185GPa (1979)
发表了900多篇学术论文，其中 仅“Nature”和“Science”就 有40余篇，研究成果多次作为杂 志封面。
Bell, Xu et.al.: 280GPa (1986)
高压的获得手段
实验技术 实验装置 压力 受力性质 温度 金刚石对顶砧 低温-室温<550GPa (准)静水压 静态超高压 6000oC 大腔体装置 ( 多顶砧 , 技术 <30GPa (准)静水压 室温-3500oC 活塞圆筒)
水热体系高 高压釜装置 温高压技术 内加热釜 岩石力学高 单轴压力机 压实验技术 三轴压力容器
短波光辐照下，苯的压致开环阈值降低。
无光照为23 GPa
0.6 GPa, 350 nm
红磷与水在紫外光照和压力作用下产氢。
Ciabini et al, Phys. Rev. Lett., 2002 压力能改变光反应速率，选择光反应路径。 Ceppatelli et al, Angew. Chem. Int. Ed., 2013
高压下，即使很稳定的分子也可能断键，形成新物质。
C60 纳米晶片在高压下非晶化。
压力与骤冷一样，也是一种使物质非晶化的方法。 Eremets et al, Nat. Mater., 2004 Wang et al, Appl. Phys. Lett., 2007
压力下的分子体系
正交相S8经历了压致金属化。
4、工程大气压为每平方厘米公斤数（kg/cm2）
l bar＝105Pa＝0.9869atm
1bar≈1atm 10kbar=1GPa 1Mbar=100GPa
静水压
静水压：受到的压力各向相同(如液体）
非静水压：受到的压力各个方向不同（高压下固 化的液体） 准静水压：各个方向的压力虽然不同，但只有微小的差别，可以 近似认为是静水压 剪切压：物体由于外因（载荷、温度变化等）而变形时，在它 内部任一截面的两方出现的相互作用力，称为“内力”，单位 面积上的内力称为“应力”。应力可分解为垂直于截面的分量， 称为“正应力”或“法向应力”；相切于截面的分量称为“剪 切应力”。
极端条件(P,T,H)下的物性：相变，超导，超临界 新材料的合成：超硬 工业应用
★ 生命科学与生物技术
生命的起源 蛋白质折叠和变性
高压在物理学研究中的重要性
压力、温度和组分是任何体系的三个独立物理 参量，压力的作用是任何其它手段无法代替的 压力可改变物质内部的各种相互作用，改变物 质的结构和性质
1 GPa = 109N/m2 = 104 bar 10-8 10-6 10-4
Best mechanical pump vacuum
10-16 Pressure (Atmospheres)
Atmosphere at 300 miles
Pressure (Atmospheres)
10-8 1 108 1016 1024 1032
Center of neutron star
To Establish a Dimension
37
Classic Example: Carbon
Graphite
Diamond
P
38
Pressure-induced amorphization
The high-pressure behavior of water continues to present new questions and surprises
Pressure Rivals T and X? Or a niche, extreme condition?
RANGE OF PRESSURE IN THE UNIVERSE
10-32 10-24
Interplanetary space Hydrogen gas in intergalactic space
★ 超高压物理学概貌
★ 超高压的产生装置
★ 压力定标和实验技术
★ 高压下的物性研究 ★ 高压研究前沿领域
压强的单位
1、Pa (帕斯卡)是国际压强单位 (＝1N/m2 )
1 MPa＝106 Pa，1 GPa＝109 Pa
2、bar (巴)是常用压强单位 (=106dyn/cm2)
3、atm (大气压)称为标准大气压
P
出现高密度态和新的高压相，在百GPa下每种物 质平均出现5个相变
高压可以调节相邻分子的电子云重叠程度，诱 导奇异的化学反应 为验证理论模型和发展新理论提供有效的手段
T
X
Hale Waihona Puke 现有物质科 学压力下的分子体系
N2 分子在高温高压下形成共价单键超硬材料。
T > 2000 K, P > 110 GPa
压力不仅仅能改变原子结构，
还能影响电子结构。
95 GPa处反射率突然变大
>98 GPa, <0.6 K
分子金属态氧在高压下的超导转变。
金属氢是一个非常激动人心的研究领域。
Luo et al, Phys. Rev. Lett., 1991 Shimizu et al, Nature, 1998
压力下的分子体系
《21世纪压缩科学的需求与 挑战―静高压的未来》 在百万大气压下，我们目前 对许多材料的基本热力学性 质的理解有限，这些属性包 括许多体系的相图 由于相图构建需精确的实验 测量及海量数据分析，对设 备和研究人员有很高的要求 ，目前含能材料相图研究还 鲜有报道 即便少量发表的P-T相图，其 研究温度、压力范围也较低
具有安全阀的Papin高压釜
压力锅要在排气管冒气后再加上限压阀？
弹簧安全阀的作用有哪些？
高压技术和工业的早期历史
1806: Northmore，液化氯气 1835：Thilorier，二氧化碳的固化 1877：Cailletet，氧的液化 1900： Dewer，氢的液化（204K） 1908： Onnes，氦的液化 1926： Keeson，氦的固化
<0.5GPa 静水压 <3GPa 静水压 <3.5GPa 剪切压 <3.5GPa 剪切压