不同应变率加载下硅的高压相变行为

高压相变是凝聚态物理、地球与行星科学、材料科学等领域关注的核心问题之一,而加载应变率是相变动力学过程的重要影响因素。由于动态加载下物质相结构原位诊断技术的不足以及宽广加载应变率下物质高压相变系统实验研究的缺失,难以开展基于原子尺度物理机制的相变动力学过程建模和数值模拟研究。由于硅的高压相极其丰富,且拥有大量亚稳相,动力学因素在其高压相变过程中发挥着至关重要的作用,因此,硅是研究高压相变动力学的理想材料,对普适相变动力学过程的理论建模具有重要意义。以硅为例,介绍其在准静态、中等应变率和高应变率加载下的相变行为,探讨加载应变率对其高压相变行为的影响。

高温高压下UH_(3)结构稳定性及其冲击分解

利用统计物理模型构建了UH_(3)晶体及其化学分解产物的状态方程,通过比较Gibbs自由能获得了UH_(3)的高温高压相图,并将其应用于疏松和密实UH_(3)冲击压缩性质研究中。结果表明:等温压缩下,UH_(3)晶体在压力约74.0 GPa时发生化学分解,提高温度有助于化学分解的发生,但压力对UH_(3)化学分解相边界的影响是非单调的;冲击加载下,密实UH_(3)在35~50 GPa压力范围内发生化学分解,并且由于冲击分解伴随着明显的体积塌缩,分解产物的雨贡纽曲线位于等温压缩线下方,曲线位置关系反常;UH_(3)的冲击分解压力随着疏松度的增大而减小,当UH_(3)材料的初始疏松度为1.5时,在化学分解转变压力范围内,UH_(3)的分解产物比UH_(3)晶体更难压缩,表现出类似大疏松度材料在冲击作用下的“反常膨胀”现象。研究结果丰富了对UH_(3)材料动态压缩特性的认识,为锕系金属氢化物的高温高压物理化学性质研究提供了理论参考。

二元富氢高温超导的实验研究进展

近室温富氢超导材料相关实验报道引发了科研人员对富氢超导的广泛关注,理论预测与实验探索新的富氢超导体及其物性研究已经成为目前超导领域的研究热点。本文结合课题组在富氢超导材料方面的实验研究工作,详细介绍了二元富氢超导体的实验研究进展。

一种适用宽速域冲击的明胶鸟弹数值建模方法

明胶鸟弹在不同撞击速度下表现出不同的响应特性。为解决传统明胶鸟弹本构表征方法在不同速度范围内不能通用的问题,开展了330 g明胶鸟弹以70~190 m/s速度、60°或90°入射刚性铝合金平板试验,记录了冲击力数据及撞击形貌。结果表明,随着撞击速度的提高,鸟弹碎裂得更充分,碎块体积减小。利用LS-DYNA建立了自适应FEM-SPH(finite element method-smoothed particle hydrodynamics)鸟体模型。依据试验结果反演得到一组鸟体本构参数:切线模量为1.33MPa,剪切模量为115.95MPa,Murnaghan状态方程参数γ为10.49,k_(0)为69.77 MPa,体积模量为246.4 MPa,失效塑性应变为1.15,初始屈服应力为0.21 MPa。仿真结果与试验结果具有很好的一致性,冲击力峰值的相对误差在2%以内,冲量的相对误差在10%以内。自适应FEM-SPH鸟体模型具有比SPH模型和拉格朗日模型更高的精度。由自适应模型得到的Hugoniot压强与理论结果具有相同的变化趋势,滞止压强与理论值较接近。

A位有序四重钙钛矿氧化物:结构、物性和展望

A位有序四重钙钛矿氧化物AA′3B4O12具有丰富的物理性质和优异的材料性能,是当今凝聚态物理和材料科学的重要研究对象。相较于简单的ABO3型钙钛矿,在A位有序四重钙钛矿氧化物中,3/4的A位离子被过渡金属离子A′所取代,形成了1∶3的A/A′有序结构。因此,A位有序四重钙钛矿氧化物中的磁-电相互作用不再局限于B位子晶格内部,新颖的A′-A′、A′-B等磁-电相互作用也随之产生,从而展现出许多新现象和新物理机制,并为未来的实际应用提供了材料基础。围绕几种具有代表性的A位有序四重钙钛矿氧化物,回顾其研究脉络,对其晶体结构、物理性质和内在机理进行简单介绍,并对这类材料体系的研究方向和应用前景做出一些展望。

基于PIV实验研究带破口双层圆柱结构附近气泡的动力学特性

近场水下爆炸冲击波破坏双壳体潜艇外壳结构后,后续的气泡脉动和射流载荷会对潜艇的内壳体继续造成严重毁伤,因此研究破口附近的气泡脉动和气泡载荷特性具有重要意义。基于受冲击波毁伤后的双壳体潜艇结构,制作预制圆形破口的双层圆柱结构模型,将电火花装置作为气泡发生源,开展了不同爆距参数(爆距与气泡的最大直径之比)和不同破口参数(破口直径与气泡的最大直径之比)条件下气泡与带破口双层圆柱结构的相互作用实验。通过高速摄影机捕捉气泡在双层圆柱结构附近的脉动和射流形成过程,采用粒子图像测速技术对爆炸流场速度进行测试,得到气泡溃灭后产生的水射流速度,同时采用压力传感器测量内层圆柱壳壁面处的压力载荷。实验结果表明:爆距参数决定了内板壁面所受压力的载荷形式、气泡溃灭后是否产生有效射流以及产生的射流速度;当爆距参数在一定范围内时,破口参数影响气泡的脉动以及气泡溃灭后产生的水射流方向。

B-C-N-Ti四元超硬复合材料的高压烧结

以金刚石、立方氮化硼(cBN)和钛(Ti)为初始材料,通过高温高压反应烧结制备了B-C-N-Ti四元超硬复合材料。结果表明:在高温高压下,Ti与金刚石及cBN反应生成TiC_(0.7)N_(0.3)和TiB_(2);TiC_(0.7)N_(0.3)作为黏结相以键合金刚石和cBN晶粒,适量Ti的加入可以有效地提高烧结体的韧性;反应生成的TiC_(0.7)N_(0.3)和TiB_(2)等陶瓷相以及cBN对金刚石晶粒的包裹提高了烧结体的抗氧化性。当金刚石、cBN和Ti的摩尔比为2∶1∶0.10时,在压力为12 GPa、温度为2000℃、保温5 min的条件下得到的烧结样品性能较好,其维氏硬度达到(49.0±1.2)GPa,韧性为(14.2±0.6)MPa·m^(1/2),空气氛围下的起始氧化温度为921℃。

高压科学引入近代物理实验课程的探索与实践

发挥高校优势学科的特色,将科研中高性能或自制的教学仪器引入到现有的实验教学课程.以吉林大学物理学院高压科学为例,利用高压原位拉曼光谱结构相变研究实验和高压原位光学、电学性质研究实验为实例,探索将前沿科学研究引入近代物理实验课程的教学改革模式,其扩展了学生的视野,培养了学生的科研素养的并激发他们的创新能力.

Mg/Al真空爆炸焊接微观形貌及力学性能

镁合金和铝合金因具有较高的化学活性,在常规焊接方式下,其表面的氧化物会掺杂到焊接接头内,使得复合板的结合性能下降。为了提高Mg/Al复合板的结合强度,采用真空爆炸焊接法制备了Mg-AZ31B/Al-6061复合板,并与常规空气环境下制备的相同参数复合板进行了对比。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪以及万能试验机,对结合界面的微观形貌、元素分布和力学性能进行分析。结果表明:由于气体冲击波压力不同,真空环境下复合材料的界面形貌与空气环境下有很大区别;真空环境有效抑制了镁、铝2种金属氧化,在熔化区未检测到金属氧化物。此外,还观察到真空环境下试样的剪切强度和拉伸强度显著增大。因此,真空爆炸焊接对Mg/Al复合板性能的提升起到了重要作用,可以作为一种有效的金属焊接方法。

立方大腔体静高压装置中叶腊石的传压及密封性能研究

本文基于高压研究及超硬材料生产所用的静高压立方大腔体(六面顶)压机的需要,制备了源于南非叶腊石矿的两种(A和B)叶腊石粉压块,并与同工艺国产(北京门头沟)黄色叶腊石粉压块进行比较,以此建立评估叶腊石传压及密封性能的实验方法与物理判据.采用Bi,Tl,Ba等标压物质原位标定了以上3种叶腊石压腔中心位置及密封边处的压力;同时,采用银熔点法分别获得了3种叶腊石作传压密封材料时高温下腔体压力与系统加载的对应关系.结果表明,在相同加载油压下南非叶腊石B粉压块和国内叶腊石粉压块中心位置的压力差值不超过0.1 GPa,在升压和降压过程中叶腊石块中心位置与密封边位置的压力差值也更为相近.相比于南非叶蜡石A粉压块,B粉压块在高温传压和密封性能上更接近国产叶腊石粉压块.

大腔体压机腔体压强28 GPa的标定方法

在大腔体压机中,一般利用压标物质相变时的电阻变化进行腔体压强标定,但目前仍缺少在22.5~34.5 GPa区间的相变压标物质。地球深部矿物50%MgSiO_(3)-_(50)%Al_(2)O_(3)(En_(50)Cor_(50))在高温高压下转变为钙钛矿结构,且在27 GPa以上钙钛矿结构MgSiO_(3)中溶解的Al_(2)O_(3)含量随压力升高而增加。为此,选取En_(50)Cor_(50)作为大腔体压机中28 GPa的压标物质进行高压腔体压强的间接标定。首先,利用常用压标物质的相变进行腔体压强标定,得到低压区系统油压-腔体压强的校正曲线(6.0~22.5 GPa);随后,根据低压区校正曲线及前人对En_(50)Cor_(50)的研究结果,估算28 GPa腔体压强对应的系统油压;将En_(50)Cor_(50)在预估油压、2000 K温度条件下保温3~7 h;最后,利用X射线衍射、拉曼光谱、电子探针等手段对En_(50)Cor_(50)进行测试分析。结果表明:在该条件下成功合成了布里奇曼石,且Al2O_(3)的溶解度大于13.7%,对照前人的研究结果,确定样品腔体压强约为29 GPa。该方法成功标定了大腔体压机在28 GPa附近的腔体压强,填补了大腔体压机在该压强范围的标定空白。

六方氮化硼在5 GPa以下的熔点测量

设计并组装了一套瞬间放电装置,实现了样品在DS 6×14 MN国产铰链式六面顶大腔体压机下的高压瞬间放电加热。结合大腔体静高压加载技术以及瞬间放电加热技术,利用熔体凝固过程中晶体经历形核和生长2个阶段的特征,判断晶体的熔化情况。对h-BN粉晶进行了高压环境下的瞬间放电加热处理,以研究高压下h-BN的熔化行为。采用扫描电子显微镜对高压条件下经历瞬间放电加热处理的样品进行微观形貌分析,判断h-BN晶体的熔化情况,确定了在3.4和4.3 GPa压力下h-BN的熔点分别为(4251±150)K和(4531±200)K。这些发现有利于h-BN的应用探索以及现有氮化硼高温高压相图的修正。

大体积压机的技术发展及未来展望

大体积静高压技术是进行高压科学研究与工业生产的一种有效手段,目前已被推广应用至材料工程、能源科学、地质科学及生物科学等领域。经过近一个世纪的发展,大体积静高压装置及技术经历了数次变革与创新,如今取得了突破性进展和成果,其中以国产铰链式六面顶压机为代表的大体积静高压装置与技术已处于国际领先水平。文章对国内外大体积压机从起步研制到现今的发展历程、装置原理及技术特点进行了详细介绍,也是对前人研究工作的总结。最后,结合国内外大体积静高压装置及技术的发展现状,对其未来进行了展望。

微秒到秒时间尺度的高压相变动力学和物性研究:回顾、进展及展望

近年来,基于金刚石对顶砧的快速加载技术(如动态金刚石对顶砧)和时间分辨探测技术的快速发展为高压科学研究开辟了新的研究方向和思路。这些技术使得科学家能够探索微秒到秒级时间尺度的高压非平衡物理过程,填补了静高压与动态冲击波实验之间的空白。本文回顾并总结了近年来在快速加载和时间分辨探测技术上的进展,详细探讨了依赖于加载速率的结构相变动力学、相变途径、亚稳相的形成、微结构、力致发光等现象。希望通过深入思考和系统归纳微秒至秒级时间尺度的高压科学问题和技术挑战,为高压科学领域的研究者提供新的启示和参考。

压力下超导RbBSi化合物的预测(英文)

对RbBSi化合物在0~100 GPa压力范围内进行了广泛的群体智能结构搜索。提出了RbBSi的3种不同相,并通过第一性原理计算了其稳定性、电子结构和潜在的超导电性。在所研究的压力范围内,所有预测相在热力学和动力学上都是稳定的。3个相的能带都穿过费米能级,表明结构具备金属性。此外,P4/nmm-RbBSi在常压下的超导转变温度为14.4 K。这项工作加深了人们对碱金属硼硅化合物在超导体领域的理解,有望拓宽碱金属硼硅化合物在超导体领域的应用。

过渡金属钙钛矿的高压高温合成及物性

过渡金属钙钛矿材料由于具有灵活多变的晶体结构和丰富多样的物理性质,在信息、能源和催化等领域具有广阔的应用前景。然而,在常规条件下合成的过渡金属钙钛矿种类有限。高压作为一种独特的实验手段,能够显著调控材料的原子间距和元素构型,在合成新型钙钛矿材料方面具有较大优势,通过改变电子结构可引发铁电、磁性、超导、金属-绝缘体转变、电荷转移及电荷歧化等新奇的物理性质。本文回顾了极端高压材料制备技术和高压原位测量技术,并对这2项技术在几类过渡金属钙钛矿合成与物性调控方面的应用进行了展望。

西瓜汁的超高压杀菌效果研究

研究了西瓜汁常温超高压处理后的微生物存活量与杀菌压力、脉动施压之间的关系,并用VITEK32型细菌鉴定仪对耐压菌种进行了鉴别。实验杀菌压力范围在100～500MPa之间、保压时间为10min、以"加压—保压(10min)—卸压-停顿(5min)"为一个脉动施压循环,对西瓜汁样品进行多次循环高压处理。结果表明:在30℃、处理压力达到或超过400MPa时,西瓜汁中微生物含量达到国家食品卫生标准要求;随着脉动施压次数的增加,微生物存活量减少;西瓜汁中残存耐压菌以革兰氏阳性菌为主,达70%,此外还残存有少量革兰氏阴性菌和霉菌。

冲击加载-卸载-再加载条件下Cr-Ni-Mo钢的层裂损伤

基于一级轻气炮加载技术,利用不同类型的多层复合飞片,实现了冲击加载-卸载-再加载路径,结合回收表征以及一维流体力学模拟,对Cr-Ni-Mo钢在冲击加载-卸载-再加载路径下的层裂损伤行为进行了深入研究。结果表明,在冲击加载-卸载-再加载路径下,层裂面会重新闭合并形成微损伤带,而孔洞位置仍然位于原奥氏体边界和板条群边界处,裂纹仍保持穿晶+沿晶的混合断裂模式。此外,第1层飞片与样品之间存在的较大阻抗差异会导致自由面速度中的再加载信号缺失。这些发现为深入理解Cr-Ni-Mo钢在复杂加载路径下的层裂行为提供了重要参考。

冲击应力和脉宽对NbTiZr中熵合金层裂的影响

中、高熵合金因很好地兼顾了强度和韧性而备受关注,在多种极端工况下具有重要的应用前景。然而,在强冲击载荷等极端条件下,其动态力学行为和损伤失效机制仍不清楚。为此,研究了NbTiZr中熵合金在平板冲击载荷下的层裂损伤,探讨了冲击应力和加载脉宽的影响。通过波剖面分析,获得了冲击应力、加载脉宽和层裂强度信息。研究表明,NbTiZr中熵合金的层裂强度随冲击应力的增大而线性增大,随加载脉冲宽度的增大呈指数减小,介于3.77~4.80 GPa之间。利用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子背散射衍射,分析了冲击加载后回收样品的微观组织结构,发现冲击应力和加载脉冲宽度对NbTiZr的层裂损伤形貌有显著影响,层裂损伤形式为准解理断裂,未观察到固-固相变或变形孪晶。

高压合成双钙钛矿Y_(2)NiIrO_(6)中场冷诱导的巨磁电阻效应

双钙钛矿材料Y_(2)NiIrO_(6)的亚铁磁转变温度为192 K,因其奇异的交换偏置效应而受到广泛关注。系统研究了Y_(2)NiIrO_(6)的低温晶体结构、电导行为及磁电阻性能,发现该材料在130 K时保持了290 K时的晶体结构,并在130~300 K的温区内表现出半导体电导行为。在居里温度以上的顺磁状态,其导电行为可以用Efros-Shklovskii变程跃迁模型拟合,在居里温度以下,亚铁磁有序使电阻行为偏离该模型。更为有趣的是,亚铁磁序诱导了材料的负磁电阻效应,并且7.0 T的场冷诱导了–10%的巨磁电阻效应。这一新机制为探索新型巨磁电阻材料提供了全新的研究思路。