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。

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℃。

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。

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。

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。

高压下硝酸肼结构演化的中远红外光谱和第一性原理计算研究

对于含能材料,6 THz(200 cm^(-1))以内的晶格振动模式对外部压力变化引起的结构变化非常敏感,因此,中远红外振动光谱可作为研究含能材料高压相变的有力手段。利用基于空气等离子体产生的中远红外超宽带光谱技术,结合金刚石对顶砧,获得了含能材料硝酸肼的高压振动光谱。同时,采用第一性原理方法,计算了硝酸肼的晶体结构和红外光谱,在此基础上对分子间的相互作用进行了分析。综合实验和计算结果,揭示了压力作用下分子间氢键和范德瓦尔斯相互作用对材料中分子结构和堆垛变化的影响,获得了硝酸肼的相变过程。

聚合物在冲击荷载下的物性及“相变”实验研究进展

聚合物被广泛应用于国防和国民经济的各个领域,在服役过程中,不可避免地暴露于高温高压等极端环境,因此,有必要研究其在冲击荷载下的物性及“相变”问题。聚合物具有独特的分子链结构,表现出异于金属等大多数材料的性能。聚合物的雨贡纽曲线低压外推的截距明显高于零压体波声速,且低压下的波剖面呈现带弧形的波系结构。在20~30 GPa压力范围,其雨贡纽曲线存在明显的转折,说明材料在冲击下发生了“相变”。首先,对该“相变”反映的化学分解和晶格结构转变进行了解释,并对其中蕴含的“相变”动力学问题进行了研究。然后,简单介绍了基于化学分解的物态方程的建模方法。最后,对聚合物在冲击荷载下的物性和“相变”研究提出了展望。

纳米钨在高压下的物理力学行为与尺寸效应研究

探究尺寸效应对材料高压物性的影响规律有助于开发具有新颖或者改良特性的新材料。采用金刚石对顶砧结合同步辐射X射线衍射技术,研究了平均晶粒尺寸分别为30和65 nm的多晶钨粉在高压下的静态压缩行为。通过分析每个压力点下X射线衍射图谱的峰位和半高宽等,得到了纳米金属钨在高压下的晶胞体积、晶粒尺寸和微观应变等。通过拟合三阶Birch-Murnaghan方程,得到了30和65 nm钨的体弹模量,分别为257(7)GPa和343(8)GPa。结合前人的研究结果发现,当晶粒尺寸从微米降低至10 nm,钨的屈服强度逐渐增大,10 nm钨的屈服强度较微米晶样品的屈服强度提高了3.5倍;体弹模量呈现先增大后减小的趋势,30 nm钨的体弹模量较65 nm钨减小了25%。

不同波形加载下[100]单晶铝层裂破坏的分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法模拟了[100]单晶铝在等冲量斜波和方波作用下的形变和层裂行为,分析了加载波形与层裂行为之间的相关性。研究表明,脉冲形状与热力学路径的协同作用影响了材料层裂。不同加载波形下单晶铝层裂强度的差异并非受缺陷主导的非均匀孔洞形核影响,而是由不同热力学路径下温升的差异决定。例如:当最大加载速度为3.00 km/s时,单晶铝均经历均匀层裂,但斜波加载下铝的层裂强度较方波加载时提升56.6%。斜波加载会产生逐渐增强的压缩波,使单晶铝产生相比于冲击加载更轻度的损伤。这一现象随着加载速度的提高而变得更加显著。

新型锕填充硼碳笼型化合物的超导电性

Ac元素作为锕系第一号元素,AcH_(10)的超导转变温度(T_(c))达到251 K,是潜在的室温超导体。XB_(3)C_(3)(X表示不同的金属掺杂元素)是新发现的sp~3笼型化合物,同时具有强共价特性和超导特性,是潜在的高温超导材料。采用第一性原理密度泛函理论,探索以XB_(3)C_(3)、XB_(2)C_(4)和XB_(4)C_(2)笼型结构为原型、引入Ac元素掺杂的AcB_(3)C_(3)、AcB_(2)C_(4)和AcB_(4)C_(2)的晶体结构、晶格动力学、电子性质和超导特性。研究发现:AcB_(2)C_(4)在0~200 GPa区间内难以合成;常压下AcB_(3)C_(3)表现为间接带隙半导体,带隙宽度约为1.154 eV。根据力学稳定性判据可知,AcB_(3)C_(3)和AcB_(4)C_(2)是弹性稳定的具有较高硬度和刚度的脆性材料。同时,常压下AcB_(4)C_(2)表现出超导特性,超导转变温度达到1.565 K。随着压强的增加,超导转变温度呈现先降低后升高的变化趋势,其超导机制由中频声子主导转变为低频与中频声子的共同作用。研究结果可为实验合成笼型化合物超导材料提供理论指导,为探索具有高超导转变温度的超导材料提供新思路。

固体氢在极端压强下的超导性能

氢元素在常压下具有最简单的晶体结构和物理性质。随着压强增加,氢单质发生相变,由绝缘体转变为金属,被称为金属氢。数值模拟表明,金属氢具有高温超导电性,因此,金属氢研究也被称为高压物理领域的“圣杯”课题。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对固体氢在极端高压(0.5~5.0 TPa)下的结构和超导电性开展了系统研究。研究结果表明:固体氢的高压相变序列为I4_(1)/amd→oC12→cI16;对于同一种结构,随着压强增加,电声耦合系数减小,费米面处电子态密度减小,特征振动频率增加,超导转变温度发生小幅变化;在2.0 TPa压强下,固体氢的超导转变温度高达418 K(库伦赝势经验值μ^(*)=0.10)。研究工作将为金属氢及其超导电性的后续理论和实验研究提供参考。

中国绵阳研究堆高压中子衍射谱仪在材料研究中的应用

中国绵阳研究堆(CMRR)的高压中子衍射谱仪(凤凰,HPND)由中子聚焦系统、探测器系统、高压加载与集成系统等部分组成,可进行常压高低温、高压环境下的中子衍射实验,其中子衍射实验的原位室温高压加载最高可达30 GPa,高温高压加载最高可达2000 K、10 GPa。目前,凤凰谱仪已被广泛应用于材料研究领域,如过渡金属氮化物、锂离子材料、磁性材料、含能材料、铁电陶瓷等。利用常规中子衍射、高低温中子衍射以及高压中子衍射技术,获得材料的原子精确占位、磁结构、晶体结构以及相变等信息。

爆轰加载下TATB基钝感炸药的冲击-卸载-再冲击实验装置设计与模拟

在一些特殊的工程应用和意外事故中,炸药内部可能会受到多次冲击压缩和卸载作用从而使其起爆性能发生变化,因此,需要一种可以模拟多次冲击和卸载的实验加载装置,用以研究炸药在复杂载荷下的起爆响应。基于爆轰加载原理,提出并设计了一种可以实现完全卸载的冲击-卸载-再冲击的爆轰加载实验装置,利用数值模拟对该装置进行了仿真设计和参数优化,并通过实验验证了数值模拟的准确性和装置设计的可行性。结果表明:利用所设计的爆轰加载装置驱动钨镁双层飞片撞击TATB基钝感炸药,通过调整装置中的间隙宽度,可以对炸药实现完全卸载的冲击-卸载-再冲击加载,为后续研究炸药在复杂载荷多次冲击下的起爆响应提供了一种新的实验技术。

高压下二元富氢超导体的实验研究进展

自从1911年著名物理学家Onnes发现超导电性以来,人们不断努力提高超导转变温度,室温超导体是人类追逐的百年梦想。在近百年的研究历程中,铜基超导体、铁基超导体及麦克米兰极限MgB_(2)超导体的发现不断刷新了人们对超导领域的认知,也增强了人们进一步提高超导转变温度和挖掘高温超导机制的信心。最近,理论预测并被实验验证的新型富氢化合物显示了高温乃至室温超导电性的巨大潜力,成为室温超导体的最佳候选体系之一。值得注意的是,高压下硫氢化物和镧氢化物均具有超过200 K的超导转变温度,引领了富氢化合物的研究热潮,涌现了一些重要的理论和实验成果。本文聚焦于目前富氢化合物超导体的实验研究进展,从不同氢结构单元及氢成键特征的角度总结和归纳新型富氢化合物的晶体结构性质及超导性能。主要介绍了5种在实验上成功获得的富氢化合物超导体:间隙型、离子型、共价型、笼型及分子型。通过对比分析不同类型的富氢化合物超导体,总结出一些影响超导转变温度的普适规律,并提出目前实验上亟待解决的问题和未来主攻的实验方向。

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。

高压下三元层状氮化物M_(2)AlN(M=Ti,Zr)的结构、力学、电子及光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,优化了三元层状氮化物M_(2)AlN(M=Ti,Zr)的几何结构,研究了高压下三元层状氮化物M_(2)AlN(M=Ti,Zr)的结构、力学、电子及光学性质。结构和力学性质研究表明,Ti_(2)AlN的压缩性优于Zr_(2)AlN,弹性常数证实了高压下的力学稳定性。延展性和弹性各向异性随着压力的增加而增强,Zr_(2)AlN对压力更加敏感。电子性质研究表明,两种三元层状氮化物均表现为金属性,共价性随着压力的增加而增强。Ti_(2)AlN和Zr_(2)AlN的多晶体和不同轴上的静态介电函数ε_(1)(0)以及静态折射率n(0)表明光学性质存在较低的各向异性,两种三层状氮化物都表现出较强的光吸收能力和反射率。本文的理论研究阐述了高压下三元层状氮化物Ti_(2)AlN和Zr 2AlN的相关性质,为今后的实验研究提供了比较可靠的理论依据。

CuTe_(2)单晶的高温高压合成和物性表征

具有黄铁矿结构的3d过渡金属硫族化合物MX_(2)(M=Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn;X=S,Se,Te)因呈现丰富的新奇物性而备受关注,其中CuX_(2)是该体系中唯一的超导体,超导转变温度(T_(c))分别为1.5K(CuS_(2))、2.4K(CuSe_(2))和1.3K(CuTe_(2))。由于CuX_(2)系列材料只能在高温高压条件下合成,因此,早期关于CuTe_(2)的少数报道均基于多晶样品,到目前为止仍缺乏单晶样品物性的详细报道。采用川井型6/8式二级推进多砧压机,在900℃和5GPa的高温高压条件下合成了高质量的CuTe_(2)单晶样品,并对其进行详细的晶体结构、电输运、磁化率及比热容等物性表征。研究结果表明:CuTe_(2)单晶样品为弱耦合Ⅱ类超导体,T_(c)约为1.3K。通过总结对比同体系CuS_(2)、CuSe_(2)以及CuTe_(2)的超导参数,进一步揭示了CuTe_(2)费米面附近的态密度与超导演化的联系。

高温高压下铁热导率的第一性原理研究

铁在高压高温下的热导率是研究地球动力学和热演化的关键参数.在以往的研究中,铁的热导率主要归结于电子热导率,我们发现铁在高压下晶格振动对热导率的贡献不可忽略.本文利用晶格动力学和玻尔兹曼输运理论计算了铁的声子色散、Hugoniot状态方程和热导率.预测了铁在核幔边界附近温度约为3500 K,在地球内核边界条件约为6500 K.考虑晶格振动的热导率在地球核幔边界附近为112 W/mK,在内核边界条件约为200 W/mK.