一套高温高压原位拉曼散射、布里渊散射测量系统

本文描述了一套利用激光加热技术、金刚石对顶砧高压技术,集成共聚焦拉曼光谱测量、六通道布里渊散射光谱测量、以及黑体辐射光谱测温,成功搭建起来的高温高压原位拉曼散射、布里渊散射的光学测量系统。利用该系统,并结合薄膜沉积金属、光刻技术改进了金刚石对顶砧中样品的装填方法,解决了样品透明不易加热的问题。已利用该系统得到液态氩在0.85 GPa常温状态下和14.58 GPa熔融状态下的体声速分别为1.85 Km/s和5.19 Km/s。

稠密流体氮高温高压相变及物态方程

氮的高温高压物态方程以及相图对于研究和制备高能量密度含能材料至关重要.本文采用基于密度泛函理论的分子动力学模拟方法,研究了液氮的高温高压行为,给出900—25000 K,2—200 GPa区间流体氮的物态方程以及组分、相态变化.在上述相空间,观察到流体氮分子相-聚合物相以及聚合物-原子相的相变发生.获得的液氮Hugoniot理论曲线与实验结果吻合较好,发现30—60 GPa区间Hugoniot曲线的软化与分子-聚合物流体相的相变有关;在60 GPa后Hugoniot曲线变陡峭与流体氮进入聚合物相区有关.

大麻坪橄榄石冲击波实验研究与高压态物态方程参数的确定

利用冲击波进行的动高压实验对研究超高压下的物质性质也是十分有效的.本文报告了对大麻坪采集的橄榄石进行压力在10~45GPa范围的冲击波动高压实验结果.结合前人等温冷压实验结果,确定了实验过程的温度,对于冲击波实验压力从10GPa变化到30GPa时,温度在摄氏几十度到摄氏800多度之间.测量了岩石超高压下密度变化,在3.627~4.009g·cm^(-3)之间.通过回收实验和确定的温度,表明小于30GPa压力实验条件下,没有发生相变过程.同时也确定了状态方程的参数.最后,指出了实验结果在上地幔地球内部物质运动过程的含义,即冷板块中的亚临界橄榄岩可以存在地幔转换带中.

钽酸锂、蓝宝石在高压下的光学性质从头算研究

采用量子力学从头算和赝势平面波基组以及非局域广义梯度近似（PP—GGA）方法对两种光学窗口材料（单晶LiTaO3和蓝宝石α—Al2O3）在0-250GPa静水压力范围内的光学透明性进行了研究．结果表明，随着压力的增加蓝宝石和钽酸锂的最大吸收峰位置均向低波长区移动（蓝移）．蓝宝石在0-250GPa压力下。可见光范围内一直保持其透明性，而LiTaO3则在高压下时就变得不透明了，其原因是钽酸锂的前沿能特闭合而导致其吸收带宽随外界压力的增大变宽所致。

高压下原子分子物理学术思想及其发展

今年是我国著名的物理学家和杰出的教育家芶清泉教授诞辰100周年。先生的学术生涯长达七十余载，他对我国原子分子物理、固体物理、高压物理、物理力学等学科领域的发展做出过重大贡献．在相当长时期内，先生是这几个学科发展的规划者、组织者、和领导者，他所培养的众多弟子现在都是这些学科领域的科研中坚力量，甚至有的已成为学科领导者．

高压下硅烷的第一性原理研究

利用一种新发展的从头算演化方法,对高压下固态硅烷进行分子晶体结构预测,重点关注硅烷在25-300GPa压力区间相结构的变化,以及金属相结构的转变条件.当加压至55GPa时,除了搜索到与最新金刚石压砧实验结果一致的结构（I-42d,I41/a）以外,同时还搜索到新的C2/c结构,并与I41/a结构共同稳定存在于55-240GPa的压力区间.在上述整个压力范围,硅烷均保持良好的绝缘性,直至压力达到240GPa才转变为Pbcn结构,并表现出金属性.结果较好地解释了已有的实验高压状态方程数据;验证了硅烷的金属化相变仅发生在200GPa以上,排除硅烷在60GPa发生金属化相变而导致其失去透明性的可能性.

顽火辉石(Mg_(0.92),Fe_(0.08))SiO_3的冲击相变和高压状态方程及其地球物理意义

用阻抗匹配法和电探针技术在48-140 GPa冲击压力范围内对化学组分为(Mg0.92,Fe0.08)SiO3、初始密度为3.06 g/cm3的天然顽火辉石进行了冲击压缩实验。根据本工作13发实验数据,结合McQueen等人的数据可以看出,(Mg0.92,Fe0.08)SiO3顽火辉石在冲击压缩过程中,大约经历三个明显区域:低压相区,压力范围为0-40 GPa;混合相区,压力范围为40-67 GPa;高压相区,压力范围为68-140 GPa。在低压相区,D-u关系已由McQueen给出;而在高压相区(68-140 GPa),可由本实验数据得到。由叠加原理计算得到的混合物(Mg0.92,Fe0.08)O(Mw)+SiO2(St)的D-u关系及p-ρ关系曲线明显偏离了实验数据的拟合曲线,从而排除了在高达140 GPa冲击压力下,钙钛矿结构的(Mg0.92,Fe0.08)SiO3发生向氧化物化学分解相变的可能性。对高压相区的实验数据进行拟合,可以得到(Mg0.92,Fe0.08)SiO3钙钛矿的Grüneisen参数γ。通过三阶Birch-Murnaghan有限应变状态方程,由冲击波实验数据得到了零压等熵体积模量K0S=259.6(9)GPa及其对压力的一阶偏导数K′0S=4.20(5),其0ρ=4.19 g/cm3。(Mg0.92,Fe0.08)SiO3钙钛矿冲击压缩下的密度数据与PREM密度剖面吻合很好,支持钙钛矿为主要成分的下地幔模型。

铁高压熔化线的测量——熔化机理的影响

铁的高压熔化线是高压物理和地球物理研究领域的一个重要课题。就目前的研究成果来看 ,存在一个公认的问题 :静高压实验测得的熔化温度系统地低于来自动态加载实验的熔化数据———在核 幔边界压力下 (330GPa) ,动压数据比静压数据高了近一倍 (30 0 0K)。从熔化相变的物理理论出发 ,对目前铁高压熔化线实验研究中的实验手段进行评述 ,并应用有关熔化相变理论的研究成果 ,对这一重要而未澄清的事实进行初步的探讨。结果表明 :在目前铁高压熔化线的实验研究中 ,计及预熔化和冲击过热在静压和动压实验中对铁熔化温度的影响 ,可以得到相对自洽的实验结果。这一结果表明 ,地球核 幔边界压力下铁的熔化温度为 385 0K ,外推可以得到铁在内核 外核边界压力下的熔化温度为 60 0 0K ,核心压力下的熔化温度为 630 0K。这一结果还表明 ,地球液态外核的温度在 35 0 0～ 5 10 0K之间 ,与Anderson(1998)等推荐的数据一致。

多孔钼烧结体的静压p-V特性研究

利用中等密度的多孔钼烧结体进行了中、低静压全程加载 卸载实验。研究了在不同直径(特别是较大尺寸)和不同初始密度时该材料的静压p V特性曲线。实验发现,样品初始密度不同应变也不同;卸载曲线几乎不受样品初始密度、直径的影响。计算表明,泡沫钼在静压下具有较高的吸能性,吸能效率较高,但预压后的泡沫钼吸能性和吸能效率均有所下降。

下地幔矿物研究及其进展

文中综述了20世纪90年代以来对下地幔矿物高温高压研究的进展,详细评论了下地幔温压下(Mg,Fe)SiO3钙钛矿的稳定性、(Mg, Fe)SiO3 钙钛矿和(Mg, Fe)O镁方铁矿的高压状态方程和热弹性及高压熔化、核幔边界温压下铁和硅酸盐的化学反应等几个热点问题;探讨了下地幔的矿物学组成,对下地幔的地震波速异常给出了可能的矿物学解释;介绍了国内同领域的研究工作;展望了下地幔矿物研究的发展方向。

大块钙钛矿MgSiO_3和镁方铁矿(Mg,Fe)O的高压合成

钙钛矿相MgSiO3和镁方铁矿(Mg,Fe)O作为地球下地幔含量最丰富的候选矿物,其高温高压实验数据通常用来与地震学探测数据做对比,对限定下地幔的真实矿物学组分具有决定性的作用。但天然的钙钛矿相MgSiO3和镁方铁矿(Mg,Fe)O很难得到,给这两种矿物的高温高压实验研究工作带来不便。介绍了应用活塞圆筒(Piston-Cylinder)压机和大腔体二级压砧(Mutli-Anvil)压机高温高压合成大块钙钛矿相MgSiO3和不同Fe/Mg比的镁方铁矿(Mg,Fe)O样品的实验技术和实验方法,对所得到的样品进行了微区电子探针、拉曼光谱和X射线衍射分析。所得样品可以作为高压实验特别是冲击压缩实验的初始样品。

碳水混合物冲击压缩特性的理论研究

采用固 液双相混合模型和分子流体的微扰变分统计理论 ,分别计算了石墨 水体系 (ρ0=1.2 33g/cm3)和金刚石 水体系 (ρ0 =1.2 38g/cm3)的冲击压缩特性。结果表明 :(1)在不发生石墨→金刚石相变和化学反应的低压区域 (p <2 0GPa) ,这两种混合体系的冲击压缩曲线的差别并不明显 ;(2 )在发生石墨→金刚石相变的高压区域 (p >2 0GPa) ,这两种混合体系的冲击压缩曲线显著不同 ,且石墨 水体系更易压缩 ;(3)在 4 5～ 60GPa强冲击压力范围内 ,冲击波诱发的化学反应也不会显著影响这两种体系冲击压缩曲线的走势。上述结论与文献 (高压物理学报 ,1999,13(2 ) :87 92 )发表的实验结果相矛盾。进一步分析了引起理论与实验结果不一致的可能原因 。

从头算方法研究面心立方铝在高温高压下的热力学状态方程

用从头算方法优化计算了面心立方铝的电子结构和总能,得到了它在零温下的状态方程和弹性性质.将得到的总能与晶格体积拟合到Debye模型,获得了非平衡态下的Gibbs自由能与温度、压力之间的关系,在此基础上计算了相应的热状态方程,利用Burakovsky-Preston-Silbar(BPS)熔化模型计算了铝的熔化曲线.所有的电子结构和总能计算都是基于局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的平均得到的.计算得到的铝在高温、高压下的状态方程与一些热力学性质和熔化曲线同冲击波和静高压实验数据在225GPa压力范围内符合良好.

高压下声速温度系数的一种新算法

从声速的定义出发 ,由热力学基本关系给出了声速温度系数 (偏微商 )的一种计算方法 ,以顽火辉石为例 ,计算结果显示 ,在 4 0～ 140GPa压力范围内 ,其纵波、剪切波和体波的温度系数随压力的增大而逐渐减小 ,分别由 4 0GPa时的 - 0 386、- 0 2 51、- 0 2 55m (s·K)降至 80GPa时的- 0 2 98、- 0 188、- 0 2 0 4m (s·K) ,12 0GPa时的 - 0 2 4 4、- 0 148、- 0 175m (s·K)和 140GPa时的- 0 197、- 0 131、- 0 162m (s·K)。将这一规律内推至零压得到 ( K/ T) 0 =- 0 0 2 79GPa·K-1,与静高压下的实验值吻合很好。

一种多孔铁的高压声速和冲击熔化

用冲击加载手段对一种多孔铁材料的高压声速进行了研究。研究结果表明 ,该多孔铁材料的冲击熔化压力范围在 12 2～ 157GPa之间 ,利用多孔铁可以测得铁在 2 0 0GPa压力内的冲击熔化温度。

固体Hugoniot线上热压变化的研究

在冲击压力为0-500GPa范围内，应用点阵动力学和冲击波理论，对金属、离子晶体、矿物质等不同种类的固体物质的冲击压缩数据及其相应的热力学参数进行数值分析和理论计算，其结果表明：不同初始密度的固体物质，在一定冲击压力和孔隙率范围内，沿Hugoniot线的热压与总压的比值近似保持为一个常数，该常数的大小及其存在的冲击压力范围和孔隙率范围因物质不同而异．根据这一结论，从理论上验证了一个表征材料特性沿其Hugoniot线不随压力而变的经验常数的存在．

面向新世纪的冲击波物理学———第12届凝聚介质冲击压缩国际会议简介

对第12届凝聚介质冲击压缩国际会议(SCCM 2001)进行了简介和综合分析,介绍了凝聚介质冲击压缩近年来的新进展,回顾了20世纪动高压或应力下凝聚介质物理学和力学的基本范式和取得的成就,展望了冲击波物理学在21世纪所面临的挑战和机遇。

Hugoniot线上的一个经验常数——来自多孔材料Hugoniot数据的对比研究

对不同初始密度样品冲击压缩Hugoniot数据的系统分析显示,对每种固体物质而言存在一个表征材料特性的沿其Hugoniot线不随冲击压力而变的经验常数β。β的数值随材料而异。对金属元素而言,该经验特性常数β与初始密实密度ρ0之间遵循同一个幂指数关系。利用该常数β,可很方便地对不同初始密度的Hugoniot数据进行换算,并可以很方便地获得Gr櫣neisen参数。还对β值为常数的适用范围作了讨论。

多次冲击加载-卸载路径下铁α-ε相变动力学特性研究

采用气炮作为加载手段,结合反向碰撞技术和多台阶三层组合飞片技术,通过精细的样品/窗口波剖面测量,对典型加载-卸载-再加载路径下铁的相变动力学特性进行了研究.观测到一次卸载阶段的多波结构及再加载段的双波结构.获得首次逆相变阈值约为(11.3±0.5) GPa,首次加卸载相变特征时间为30 ns;再加载相变起始压力为10—12 GPa,且随着再加载初始态ε相质量分数降低而降低.实验显示二次相变压力阈值与ε相残余质量分数以及逆相变子相所含孪晶、缺陷相关,同时二次加载相转变速率比首次加载更快.上述结果揭示了多晶铁相变动力学行为与加载路径的强耦合,为相关研究提供了新的视角和实验支撑.

组合优化算法在冲击温度反演中的应用

冲击物理温度是武器弹药性能测试、极端环境材料状态的重要参量,温度的精准获取在国防建设和工业制造领域有重要意义。冲击过程由于持续时间短、较难接触式测量以及温度范围广等特性,常规测温方法较难满足要求。利用多光谱辐射测温法,获取材料辐射强度值,以普朗克辐射定律为基础建立温度反演模型,从而获取目标的冲击物理温度值。实际中,由于不同目标发射率存在一定随机性,在模型反演温度时误差较大。冲击压缩下材料的结构可能发生相变,发射率随之变化,因此直接将发射率模型假定用于冲击物理温度求解,很难准确的获取温度值。基于约束优化理论,将多光谱测温实验中温度求解问题转为约束优化问题。针对每个通道获取到的温度值应该相同,将物体发射率限制在特定范围,利用约束优化算法计算获取目标温度和发射率,克服了未知发射率对于冲击物理温度求解的障碍。同时,将平衡优化器算法(EO)与序列二次规划法(SQP)相结合应用于温度模型的求解中,避免了单一算法求解稳定性差和速度慢的缺点,提高了温度反演的效率和准确性。对四种常见的发射率模型在3 000 K时的发射率数据进行了仿真验证,结果表明温度反演误差均小于1%,反演时间小于3 s。最后利用本算法对冲击压缩下金属铜的温度进行了反演,并与最小二乘法和内点罚函数法进行了对比,结果表明所提出的方法得到金属铜的冲击物理温度值更接近理论计算结果。因此,该方法为其他未知发射率模型目标的冲击物理温度值获取,提供了一种有效的反演方法。