许灿华[1]2004年在《铁在冲击压缩下的熔化温度的直接测量》文中提出本文根据谭华-戴诚达-T．J．Ahrens提出的关于冲击熔化对“金属样品／透明窗口”界面温度影响的物理模型及谭华-戴诚达提出的利用块状金属样品进行冲击波温度测量的实验方法，利用LSD的瞬态多通道辐射高温计，针对“块状铁样品／单晶LiF窗口”实验装置，在200GPa冲击压力下的温度进行了测量，获得了铁在127GPa和134GPa两个压力点下的熔化温度，以及186GPa和204GPa两个压力点下的冲击波温度。 (1) 本文测量的127GPa和到134GPa两个压力点的熔化温度，是受冲击铁样品与单晶LiF窗口的达到阻抗匹配压力下的熔化温度。本文测量的熔化温度介于文献报道的动高压测量结果与静压测量的结果之间，位于Anderson(2002)理论计算结果附近，利用Lindemenn熔化定律对实验测量的熔化温度进行拟合，将熔化线外推到330GPa(内／外地核界面压力)，得到该压力下铁的熔化温度是6300±674K；实验中还得到铁在冲击波压力186GPa下的温度为3881±364K，冲击压力204GPa下的温度为4591±594K，该值与Brown和McQueen(1986)的理论计算结果一致，也与本文考虑电子热运动对比热和Grüneisen系数贡献后计算得到的冲击波温度相一致。 (2) 按照谭华-戴诚达提出的“叁层介质热传导模型”，只要块状样品与透明窗口之间的间隙足够小，“样品／窗口”界面温度将迅速衰减到理想界面模型的温度。本文使用的铁样品和窗口材料经过精密加工，界面间隙为～0.5μm，实验观测到的界面温度剖面的尖峰很快衰减到平台状态，符合“叁层介质热传导模型”的结果。 (3) 理论分析表明，受冲击铁卸载到本文127GPa到133GPa之间的2个压力点时，铁将发生卸载熔化。按照上述模型，本文在实验中将“铁样品／LiF窗口”界面在127GPa到133GPa之间的2个压力点的界面温度直接作为熔化温度处理，避免了由于缺乏金属(铁)的高压物性参数给数据处理带来的困难。本文获得的铁的冲击熔化温度数据与戴诚达利用块状铁陨石测量的结果相符合。进一步证明了上述模型关于发生冲击熔化时“样品／窗口”界面温度与该压力下铁的熔化温度十分接近的原理，对辐射法测量金属的高压熔化温度具有较好的适用性。 (4) 在铁的冲击波温度及相图的理论计算中，需要用到高压下定容比热和Grüneisen系数。在以往的一些理论和实验中，往往忽略电子热运动产生的影响。而本文的实验表明，在本文研究的温度和压力下，电子的热运动对冲击波温度会产生很大的影响。本文使用了几种方法考虑了含电子项贡献的定容比热和Grüneisen系数，发现在高温下电子热运动对定容比热的贡献与晶格振动的贡献处在同一量级，在200GPa时可以达到1.5-1.6R。有效的Grüneisen系数包括电子Grüneisen系数和晶格Grüneisen系数两部分的贡献，比以往使用的值有所偏高，利用该Grüneisen系数和含电子贡献的比热计算的铁的高压熔化线和冲击绝热线与本文实验测量的结果是一致的。本文同时参考前人文献计算了铁铁在冲击压缩下熔化温度的直接测量和LIF晶体11’}的高压热导率。发现LIF热导率是温度和比容的函数，在33GPa的冲击压力下LIF晶体热传导率有最大值35.9W/mK。而且随着冲击压力的升高，热导率会逐渐下降，到15oGPa时降为19.2W/mK。但是按照毕延1101的研究结果，铁的高压热导率不是温度的显函数，只直接与比容变化有关。(5)本文对“块状样品/透明窗口”之间的间隙对冲击波温度测量的影响进行了估算和分析。针对块状样品冲击熔化温度测量的实验中存在的信号尖峰问题进行了理论计算。结果表明，在冲击压缩下“样品/窗口”界面的高温层的厚度跟初始间隙的厚度相当。对本文使用的铁样品和LIF窗口的表面形貌的细观测量表明，“铁样品几iF窗口”界面间隙的典型尺度为0.5微米。根据理论的估算，由此造成的界面温度与理想界面模型给出的温度之差约为200一300K。在进行数据处理时，需要考虑这一影响。 (6)利用自行编制的程序，本文进行了热传导方程的数值求解。本文建立的数值方法适用于任意的初始温度的形式，以及具有比较复杂形式的方程系数。 本文的研究表明，铁的冲击熔化温度测量的实验中，在对样品进行精密加工后，利用“块状样品/透明窗口”装置进行冲击波温度测量的方法是可行的。当冲击波在样品窗口界面卸载后样品位于固一液混合相区时，可以把“金属样品/透明窗口”界面温度当作该压力下的熔化温度。上述模型为我们研究金属的高压下熔化规律提供了新的途径。
谭华, 戴诚达[2]2006年在《冲击压缩下金属熔化温度的直接测量》文中提出本文分析了Grover理想界面模型的局限性,指出在许数情况下单纯依靠镀膜样品并不能实现理想界面条件。在分析了微米尺度间隙对冲击波温度测量的影响后,建立了四层介质热传导模型和叁层介质热传导模型,提出了直接利用块状金属样品测量冲击波温度的方法;依据‘样品／窗口’界面热传导引起的固液相变对界面温度的影响,提出了一种新的冲击熔化温度测量模型。利用精密加工的块状铜样品、铁样品和南丹铁陨石样品与单晶LiF窗口,测量了它们在‘样品／窗口’阻抗匹配压力下的高压熔化温度,初步证明了上述方法的适用性。大大简化了冲击熔化温度的实验测量方法。
冉宪文[3]2006年在《冲击压缩下金属高压熔化规律相关问题的理论及实验研究》文中研究表明本文对当前金属高压熔化规律研究中所涉及的物态方程、熔化判据、熔化区内材料的强度、熔化机制和实验数据分析处理等问题进行了相对系统的研究:1、Anderson所提出的等效Grüneisen系数在地球物理学和铁的高压熔化线的相关计算上得到了应用,并取得了良好的效果。根据Anderson所提出的等效Grüneisen系数的概念,本文在叁项式物态方程基础上,对等效Grüneisen方程进行了推导。以等效Grüneisen方程为基础,对多种金属的冲击温度进行了计算,研究表明,该方法使用简便,计算结果与实验数据符合得很好。2、对现有熔化判据进行了分析和比较,在此基础上采用由材料零温物态方程约束的熔化判据对金属熔化线进行了计算和对比分析。研究表明,在一定条件下,该熔化判据与Lindemann熔化判据和平均场理论所给出的熔化判据具有相同的物理内涵。计算表明,该熔化判据能够较好的描述金属的高压熔化曲线。在理论分析及比照分子动力学模拟的基础上,给出了该熔化判据的物理机制。3、在SCG模型和修正的SCG模型基础上,通过引入能量权重,对材料剪切模量在固液混合相区内的变化行为进行了描述,在此基础上,对金属铝沿Hugoniot线的剪切模量进行了分析,得到的结果与实验数据基本相符。4、利用逾渗理论和重整化群方法分析计算了各向同性材料剪切模量在固液混合相区内的临界变化行为。采用Huygens原理对材料在固液混合相区内声波的传播过程进行了分析,在此基础上,通过逾渗理论给出了剪切模量在固液混合相区内随熔化质量分数变化的临界点。当熔化质量分数达到0.313左右时,材料内部出现液相贯通区,假设材料此时开始表现出熔化性质,从而可将该点与光分析法中的纵波声速向体波声速的拐点相对应;当熔化质量分数大于0.687左右时,材料内部将不再存在一个可以贯通相对表面的固相区,因而此时材料的整体剪切模量消失。通过分析材料内部沿剪切作用面上液相区和固相区的组成,给出了九种承剪能力变化较小的简立方格子,在此基础了进行了重整化群变换,计算得到了临界的熔化质量分数,与逾渗理论的计算结果相吻合。5、以铁冲击熔化结束点为参考点,黄海军等解决了长期以来令人困扰的铁动静态测量熔化温度存在差异的问题,但在冲击熔化初始压力点处,如何将Fe的冲击温度修正到平衡熔化温度的问题并没有得到解决。本文对此问题进行了研究,利用计算得到的临界熔化质量分数,在Luo等提出的过热模型的基础上,对Fe在冲击熔化初始压力点处的冲击温度进行了修正,修正得到的平衡熔化温度与黄海军等的计算结果以及Ma和Shen的实验结果能够落在同一条Lindemann熔化线上。6、采用动高压手段和光分析方法对Ly12Al高压熔化温度进行了实验研究和理论分析。Ly12Al的阻抗较低,对其高压熔化规律进行实验测量存在较大的难度,通过实验测量了Ly12Al在100Gpa附近的辐射光谱,拟合所得温度结果经理论分析初步认定为熔化温度。
孙峪怀[4]2009年在《铁的高压物态方程与熔化线研究》文中研究表明铁的高压物态方程与熔化线研究具有重要的科学意义和广泛的应用背景,近20多年来一直是高压科学研究领域中的重要热点课题之一。国内外学者对此进行了大量的实验和理论研究,取得了一系列进展,但还存在诸多值得进一步研究的问题,主要有：(1)通过静高压实验技术取得的熔化温度数据(在压力<105 GPa区)与动高压实验技术(在压力>200 GPa区)取得的熔化数据分布在不同的压力区,两者无法进行直接比较,若用外推法比较,发现两者存在约1000 K的系统偏差；(2)即使采用相同的实验技术或理论计算模型,不同研究者所得铁的高压物态方程与熔化线的结果差异较大,外推到地球内外核边界(p=330GPa)处的熔化温度值的差别亦相当大。为了澄清和解决上述问题,设法构建一条能在动、静高压测量的熔化数据共同约束和得到某些理论计算结果支持下的铁的高压熔化线是十分必要的。这就是本文试图解决的的主要问题。为此目的,本文精心选定了两组不同孔隙度的多孔铁作实验样品(平均初始密度分别为6.275g／cm3和6.903g／cm3)采用冲击压缩技术,测量了它们的Hugoniont物态方程和高压声速曲线；直接测量另两种孔隙度铁样品(初始密度分别为6.175g／cm3和6.745g／cm3)的卸载熔化温度；并结合前人发表的密实铁的有关冲击压缩实验测量结果及Grover液态金属物态方程模型得到有创新意义的结果如下：1.为解决前人从密实铁Hugoniont高压声速测量结果计算260GPa处铁的熔化温度数据时存在的问题,如没有考虑过热熔化效应的影响,或过热熔化修正系数选择的合理性等问题,本文借助Grover液态金属物态方程模型,推导了一个新的计算方法,具体的计算结果是铁在260GPa的熔化温度为5362K。2.为突破过去采用密实铁样品,在动高压下声速测量技术只能取得一个压力点的铁的熔化温度数据的局限性,本文采用两种孔隙度铁样品(平均初始密度分别为6.275g／cm3和6.903g／cm3)进行声速测量,确定出另两个压力点处的熔化温度数据,它们分别是(135.7GPa,4062K)和(87.1GPa,3421K)。在声速测量的同一实验中,亦获得这两种孔隙度铁样品的的Hugoniont物态方程参数。这是熔化线测量技术的一大进步。3.为了在动高压测量中取得更多压力点处的熔化温度数据,我们借助谭华等人发展的卸载熔化温度测量技术,采用另两种孔隙度铁样品(初始密度分别为6.175g／cm3和6.745g／cm3)补充测得了两个压力点处的铁的熔化温度数据,它们是(72.8 GPa,3448K)和(127GPa,3918K)。4.由于用密实铁样品求得的熔化温度数据(260GPa,5362K)存在比较高的置信度,本文以此为参考点,借助Lindemann熔化定律,得到铁的高压熔化线,发现该熔化线能在实验误差范围内与2,3中给出的用多孔铁样品获得的四个熔化数据点、谭华测量的卸载熔化温度这些动高压熔化数据相符,亦能与Sheng和Ma的最新两个静压熔化数据相符,以及多位作者给出的理论计算结果相符。以上情况可参见图4-13和图4-14。总之,本文给出的铁的高压熔化线是一条首次得到的,可以与多个动、静高压测量数据,以及理论计算结果相互支持的铁的高压熔化线,从而完成了本学位论文既定目标,基本上解决了一个长期未能解决的基础物理问题。5.由此熔化线外推,得到地球内外核边界(ICB)压力处(330 GPa)的熔化温度为5885±500 K。这个数据可以做为分析地核中温度剖面时的一个重要参考,对深部地球物理研究有重要的科学意义。
毕延[5]2002年在《冲击压缩至兆巴压力下铁的电导率及其地球物理意义》文中研究表明本文提出和研究了一种可用于兆巴压力冲击压缩下测量金属电导率的新方法——四电极垂向引线法。用二级轻气炮作为加载手段，测量了铁在终态平衡压力为101-208GPa的压力区间内的电导率。首次将铁的电导率测量的压力范围扩展到了200GPa以上，并达到了固-液混合相区。发现金属电导率的Bloch-Gr(?)neisen公式在冲击压力高达200GPa时且在铁的冲击熔化固-液混合相区仍然有效。并以此为根据计算了地核的电导率分布，提出了铁的电导率在内／外界面处发生跃变的论断。本文取得的主要结果或结论如下： 1)提出并研究了一种冲击压缩下测量金属电导率的新方法——使用刻槽单晶蓝宝石做金属样品绝缘层的四电极垂向引线法。(a)用样品嵌入带沟槽绝缘块的结构代替前人常用的“叁明治”夹层(即绝缘层／样品／绝缘块)结构，解决了原样品组件构型中金属样品环氧树脂包覆层高压下导电所产生的分流效应对测量结果的影响，提高了可测量的压力上限：(b)解决了由于构型改变而引起的部件加工与组装以及实验测量中的若干技术性困难，包括研制成专用的大功率脉冲恒流源等；(c)对于新构型引起的样品增厚而提高输入电流对样品预加热的影响，本文设计了专门实验检验，并证实了这种欧姆加热可以忽略不计；(d)用一维流体力学模拟计算了冲击压缩下金属样品受压变化的时间历程，对判读和分析电导率变化的波形记录起到了指导性作用。实测结果与上述预测基本相符。 2)用二级轻气炮作为加载手段，测量了铁在终态平衡压力为101～208GPa的压力区间内的电导率，(电导率从1．45X10~4Ω~(-1)cm~(-1)变化到7．65×10~3Ω~(-1)cm~(-1)。首次将铁的电导率测量的压力范围扩展到了200GPa以上，并达到了熔化固-液混合相区。结果表明，本文的测量数据与Keeler等人测量数据之间存在系统差异，Keeler等人的数据明显偏高。分析后认为，主要是因为在Keeler的样品组装中使用的环氧树脂绝缘层在高压下导电所产生的分流效应引起的。 3)通过对铁在冲击压缩下发生α-ε相变时的退磁效应对测量信号波形影响的分析，以及对样品中的冲击波在前后蓝宝石界面上反射的分析，获得了铁的电导率数据，为今后开展这类实验测量提供了有用的技术和认识。 4)Bloch-Gr(?)neisen关系。通过对电导率测量数据的分析，发现关于金属电导率的Bloch-Gr(?)neisen公式对于铁在冲击压力高达208GPa且已进入冲击熔化固-液混合相区时仍然有效，此时的平衡温度已达5220K。为了检验Bloch-Gr(?)neisen公式一 在兆巴压力冲击压缩下的有效性，本文取Keeler在较低压力下8相区的一个电导 率数据作为参考点，得到了81co卜Grnelsen公式关于s－铁在高温高压下电导率 。。。。。＿。。＿＿1．589exp卜刀33v“‘）x m”。。。。。。－。。。。＿＿－3／＿ 的一个解析表达式：a＝一，这里，比容v的单位是cm丫g， 丁 一 温度丁的单位是 K，电导率。的单位是O－‘cm－‘。卜铁的高压电导率之所以与仅 考虑晶格散射的BlochGriineisen公式符合性好，是因为e－铁己不存在任何磁有 序结构，高温高压下Sp电子的散射主要以声子散射为主，己没有。－铁中的磁子 散射贡献，同时s－d散射亦居于次要地位。5）地核的温度分布。本文对地核的物质成分做了详细评述，并估算了固态内地核的 杂质成分与含量。从纯铁的冲击熔化温度出发，用Lindemann定律外推到内地核 边界（ICB）条件（330GPa）下，估算出铁的熔化温度约为6200K。进一步考虑 实际地核含有杂质而导致熔化温度的降低，得到真实地核在r 处的熔化温度约 为5400K，该熔化温度即为ICB处地核的实际温度。根据绝热压缩假设，结合 PREM模型，从ICB处的温度出发分别计算了固态内核与液态外核中的温度分布， 其中得到地心的温度约为5600K，核－慢边界地核一侧的温度约为4100K。在估算 杂质对熔化温度的影响时，本文在前人工作的基础上，提出了一个同时考虑固液 两 相 中 杂 质 含 量 对 熔 化 温 度 的 影 响 的 估 算 公 式： ＿丁”rj。＿。j＼＿、I．11、、＿＿。＿，＿。，，＿、，＿＿， 凸Tin＝二l0－叫＞：In（－L＊。＞：Ino－L川，这里，丁“是纯铁在内核边界压力 illZ“””“’““‘’“”“”‘“‘’‘’“－－ 下的熔化温度，O是地核结晶时所有杂质在液态外核中的配分系数，从s是第Z 种杂质在固态内核中所占的摩尔分数，X；／是第i种杂质在液态外核中所占的摩尔 分数，ATffi是杂质导致的熔化温度的降低。6）地核的电导率分布。既然BlochGriinisen公式被证明在地核的温度、压力条件下 及铁的固－液混合相区仍然有效，对于主要成分由。－铁组成的地核，就允许用 BlochGriinisen公式并结合地核的温度结构以及PREM模型计算整个地核（包括 液态外地核与固态内地核）的电导率分布。计算结果表明，整个地核的电导率在 4300～8400口－’cm‘之间，且随压力（深度
张世来[6]2010年在《在兆巴压力下金属卸载熔化相变的直接观测及其动力学研究》文中进行了进一步梳理金属冲击熔化线测量一直是动高压研究领域中一个重要的研究课题,在此方面的实验和理论研究工作已经持续了几十年。但在实验条件的控制和理论分析方面还存在一些问题未解决,所以人们对此类实验结果的一致性还未形成共识。目前在动高压领域,测量金属熔化线的方法主要包括冲击熔化和卸载熔化两种方法。其中卸载熔化温度测量主要是借助于金属／窗口界面温度,再获得熔化温度。该研究工作在两个方向取得进展：一是从实验方法上改善金属与窗口之间的接触状况以获得无异常辐射尖峰的真实界面辐射信号；二是从理论方法上建立热传导模型对发生在界面处的物理过程给出正确描述。本文通过改进样品制备技术,可重复地获得了无异常尖峰的界面辐射信号,在冲击-卸载熔化压力附近研究了铁／蓝宝石界面辐射特性和界面温度历史,并研究了卸载熔化效应与界面温度历史的关系。论文在以下几个方面取得具有一定创新性结果：(1)基本解决了理想接触界面制备问题。本文对金属样品进行了精细的抛光处理,并采用多点同时压靶的方式,先后在多个压力点获得了无尖峰界面辐射信号,基本实现理想接触界面制备过程的可重复性。(2)直接观测到由金属熔化相变引起的金属／界面温度变化特征。当金属样品冲击-卸载以后,如果其内部无熔化相变时,界面辐射及界面温度稳定;而当金属样品内部有熔化相变发生时,界面辐射及界面温度呈现不稳定特征：发射率随时间增加同时界面温度缓慢降低。此现象在以往的研究中少见报道。(3)建立了熔化相变-热传导耦合模型,解释了实验观测结果。本文结合熔化相变动力学模型与热传导方程对实验现象给出一种理论解释。理论计算所给出的温度变化趋势与实验观测结果一致,据此估计出高温高压下铁熔化相变的成核速率和核长大速率。
杨美霞[7]2005年在《疏松铁冲击卸载声速与铁的高压熔化线研究》文中提出铁是构成地球内外核的主要元素。地球固态内核与液态外核边界处(10B)压力为330GPa,其温度应该对应该压力状态下铁的熔化温度。因此,确定铁的高压熔化线一直是地球物理和高压物理研究领域中重要课题之一。在实验室,利用冲击波或金刚石压砧加载手段可以将铁压缩到较高的压力状态,并通过直接测量或间接计算熔化温度可以在一定压力范围内确定出铁的熔化温度。将高压熔化线外推至地球IOB压力,可以得到IOB温度。然而,人们采用冲击波方法和DAC技术得到的熔化线之间存在系统偏差,其外推所得IOB压力下温度值相差甚远。由此引发人们对两种实验测量方法的合理性以及高压熔化机制的讨论。解决上述系统偏差,继而确定铁的高压熔化线成为近年来备受关注研究方向。围绕该问题,本文在以下几个方面取得了一些新数据和新认识: (1)采用冲击波声速测量技术,确定出两种具有不同疏松度的铁样品的冲击熔化压力点,它们分别发生在1 34GPa和87GPa处。这是本文最重要的创新点。利用本文结果,并结合Brown and McQueen和Nuygen andHolmes确定的密实铁冲击熔化压力值(260GPa),可以直接根据冲击高压数据限定铁的高压熔化线,而不必依赖静高压(DAC)实验测量结果。 (2)利用冲击温度与铁样品初始密度之间的相关性,本文在比较宽的温度和压力区域获得了8个冲击卸载声速新数据点。对于平均初始密度为6.9g/cm~3的样品,获得四个声速数据点,冲击压力在100-135GPa之间;对于平均初始密度为6.3g/cm~3的样品,同样得到四个声速数据点,冲击压力在75-90GPa之间。这批新数据对限定铁的高压状态方程以及高压本构方程都具有重要意义 (3)本文成功尝试了一种新的声速测量技术,即反向碰撞方法。该技术可当作对传统多台阶光分析技术的补充。对于疏松度较大的铁样品,反向碰撞方法得到的声速测量信号特征更明显,在一定程度上提高了声速的测量精度。
胡晓军[8]2012年在《外地核候选物质的动高压实验研究》文中认为根据地球物理、地球化学、宇宙化学以及高温高压实验等方面的研究结果,现已证明液态地球外核的主要组分是铁,同时还含有约10wt%的轻元素。尽管轻元素在地核中的含量相对较少,但是它们对许多地球深部的物理、化学和动力学等现象却有着至关重要的影响,例如：液态外地核的冷却速率,固态内地核的生长,外地核的成分对流,地核磁流体发电机的形成与运行机制,核幔边界层的化学反应等。综合各方面研究结果,外地核中候选轻元素的研究范围已缩小至5种：硅(Si)、硫(S)、氧(O)、碳(C)和氢(H),并且外地核中至少含有两种轻元素。在上述5种轻元素中,外地核究竟含有它们之中的哪些?各自的含量又是多少?这些问题一直为地球物理学家和地球化学家所关注,也是目前地球物理和地球化学学科的前沿研究课题。为了深入探索外地核中轻元素的种类和含量,在国家自然科学基金(项目批准号：41074056)和中央高校基本科研业务费专项资金(项目批准号：20410042)的资助下,以及大量文献调研和理论预估的基础上,本文选取(Fe/FeO/FeS混合物,92.5wt%Fe,2.2wt%O,5.3wt%S)样品作为研究对象,利用二级轻气炮实验设备,对其状态方程、高压声速、高压熔化行为等进行了系统性的研究。并结合已有的Fe90O8S2(90wt%Fe,8wt%O,2wt%S)实验数据,构建了一套完整的、自洽的热力学方法来描述外地核温度和压强环境下的Fe-O-S体系的密度和声速,以此来限定外地核中O元素和S元素的含量。文章的主要研究内容和创新点如下：1.应用六面顶大腔体压机,探索Fe2O3与Fe发生化学反应还原成FeO的温度、压强条件。在压强约2GPa、温度约800°C的条件下,将配置好的高纯Fe2O3、 FeS和Fe粉末压制成致密FeO、FeS和Fe的混合大块体样品,X射线检测表明样品中的Fe3+完全被还原为Fe2+。样品的密度为6.880g/cm3,与体积迭加方法计算的密实样品密度值非常吻合。样品中O的含量为2.2wt%,S的含量为5.3wt%。2.应用二级轻气炮动高压实验装置,借助电探针技术和反向碰撞技术,在73-233Gpa压强范围内测量了Fe92.5O2.2S5.3体系的Hugoniot状态方程,其Hugoniot参数为：C0=3.710(±0.12)km/s、λ=1.610(±0.04)。并且根据已有的Fe、FeO和FeS的Hugoniot实验数据,用可加性法则计算了Fe92.5O2.2S5.3体系的Hugoniot状态方程,计算结果与实验数据一致。说明在冲击波加载过程中,Fe、FeO和FeS之间没有发生可观测的化学反应。3.利用反向碰撞技术和光分析技术,并使用DISAR测量仪器,精确地测量了93-208GPa压强范围内Fe92.5O2.2S5.3体系在冲击压缩状态下的纵波声速和体波声速。与已测的Fe90O8S2和Fe在冲击状态下的声速测量结果进行对比,发现O元素和S元素的加入都能使得Fe的体波声速增大,这进一步确认了O元素和S元素存在于外地核中的可能性。对比分析同时发现,O元素对纯Fe体波声速的影响要大于S元素。4.根据声速测量结果,确定Fe92.5O2.2S5.3体系在164GPa下发生完全熔化,即平衡熔化。根据能量守恒定律,求解得到平衡熔化温度为3500K。以此为参考点,应用Lindemann熔化律外推,得到Fe92.5O2.2S5.3在内外核边界330GPa处的熔化温度为5000K。与已有的实验测量的Fe、Fe-S、Fe-O、Fe-O-S的熔化温度进行比较,发现O元素和S元素对高压下Fe的熔化温度的影响也是不一样的：S元素的含量越多,则纯Fe的熔化温度降低越大。因此在考虑轻元素对Fe的熔化温度的影响时,不仅仅要考虑轻元素的含量,更要考虑轻元素的种类。5.构建了一套自洽的热力学方法来模拟任一温度和压强环境下Fe-O-S体系的状态方程和体波声速。与实测的冲击状态下Fe、Fe90O8S2和Fe92.5O2.2S5.3的状态方程和体波声速比较,模拟计算结果和实测结果相符合,表明计算方法的合理性以及相关热力学参数的准确性。应用此热力学方法计算了一系列Fe-O-S体系在外地核环境下的密度和声速,并与PREM模型提供的外地核的密度和声速数据进行了对比。在误差范围内,Fe92.5O2.2S5.3体系的密度和声速基本能与PREM模型相匹配,而Fe90O0.5S9.5的密度和声速与PREM模型匹配地更好。这意味着外地核中O的含量最多不能超过2.5wt%,而0.5wt%的O的含量可能更准确一些,即表明外地核是贫O的。地球化学研究结果表明,外地核中S元素的含量为2-3wt%；根据亲铁元素的金属-硅酸盐分离实验,地球早期吸积环境是相对还原性的,由此推断地核是贫O富Si的。我们从地球物理学角度独立证明了外地核中O的含量不可能超过2.5wt%,而最可能的值为0.5wt%,因此外地核中可能含有0.5wt%的O元素,2wt%的S元素,和8wt%的Si元素。这个推论与最新的核幔边界元素分异实验所给出的结果非常接近。
黄海军[9]2005年在《高压下铁的熔化曲线及外地核候选组分的约束性研究》文中研究表明本文目的是研究地球深部物质在高温高压环境下的物性,主要限定在对地核材料的物性研究,其方法是采用凝聚态物理理论及近年发展起来的高压实验技术来研究深部地球物理问题,因而属于一种学科交叉的研究课题。研究内容由两部分构成,第一部分是高压下铁的熔化曲线,第二部分是从对外地核候选组分Fe/FeO/FeS(重量百分比为58.96/35.83/5.21)混合物的Hugoniot线、声速和熔化温度的测量出发,对外地核成分进行约束性研究。文中取得的有创新意义的结果归纳如下: 一、铁是地核的主要成分。通常认为地核又是由液态外核和固态内核组成,因而铁的高压熔化曲线是备受关注的科学问题,因为通过它可以推断出内外核界面(ICB)处(330GPa)的温度(严格讲是一级近似温度,又称锚定(anchor)温度),从而进一步推断出地核的温度剖面。但是近二十年来,在铁的高压熔化曲线的研究中还存在一个长期未能澄清的科学问题,即用冲击波方法测到的200GPa以上ε(hcp)-铁的熔化温度要比用金刚石压砧(DAC)装置测到的100GPa以下的数据呈系统性的偏高。虽然在最新的DAC实验中使用的X—射线衍射和激光双面加热技术克服了样品内温度梯度过大等技术问题,在冲击波方法中也考虑到了对过热熔化修正的影响,两者之间的偏差有所缩小,但是其间的偏差依然存在。在前人(李西军等人,见本院研究生部李西军博士毕业论文,2000年;Luo et al,Phys。Earth Planet。Inter,2004,143:369)根据Hugoniot声速数据确定了过热熔化温度后,再经过修正得到平衡熔化温度的方法中存在不确定性的基础上,本文提出了一个新的通过能量平衡原理直接计算平衡熔化温度的热力学计算方法。本文根据最新的Hugoniot声速测量结果,用这种分析方法计算了冲击压强为260GPa时铁的平衡熔化温度(5300K),并以这个点为参考点通过Lindemann熔化定律计算了ε-铁的高压熔化曲线,把它外推到低压下,发现与静高压最新的测量结果(Shen et al., Geophys Res Lett, 1998, 25: 373; Ma et al., Phys. Earth Planet. Inter., 2004, 143: 455)是一致的,从而得到了一条可以统一最新静高压和动高压熔化线测量数据的ε-铁的熔化曲线,解决了以上所说的一个科学难题。这就是本文的主要创新点。上述工作还进一步得到以下叁个方面分析结果的支持。 1、基于ε相铁的OK等温状态方程和有效Gruneisen参数γ_(eff)以及比热C_v等基本物性参数,用热力学方法计算了固态、固-液混合态、液态铁的Hugoniot线。对于固态和液态铁,计算的P—V线与实验测量数据符合得很好,这也表明这种计算方法也可以很好的区分Hugoniot实验数据中固相区和液相区。但在很窄的固-液混合压力区内,由于被测样品中的冲击波分裂为两个波阵面,冲击波速度和粒子速度的实验数据有较大的分散性,因而实验数据和计算曲线之间有一些不大的区别。但是就总体而言,理论计算与实验测量数据的一致性表明了以上计算方法和所用参数值的合理性。
韩立波[10]2010年在《铜缺陷熔化及其冲击力学行为的分子动力学模拟》文中指出分子动力学模拟是人类认识物质世界的一种崭新的实验方式,人类可从原子、分子尺度上去研究和理解材料宏观的性质。近年来,随着分子动力学势函数的发展和计算机计算能力的大幅度提高,分子动力学模拟逐渐成熟,分子动力学模拟技术广泛应用到地球科学领域特别是应用于地球物理学研究中。分子动力学数值模拟实验有助于我们研究、理解在地球深内部环境中物质的状态和性质,特别是在研究地幔底部、外核直至内核的物质结构、组成、各向异性、状态方程等一系列重要的基础问题。物质熔化是地球内部一类重要的基本物理过程。为了分析和理解这一类过程,本文将采用分子动力学数值模拟的方式对物质熔化相关的过程进行研究。本文综述了纳米尺度下材料的热力学行为,对如何采用分子动力学这一原子模拟技术分析材料热力学性能的数值方法进行了深入系统的阐述。我们采用分子动力学方法模拟了单晶铜的缺陷熔化过程,铜在静高压和冲击高压下的熔化过程,以及铜的冲击断裂过程,探讨了铜在冲击断裂中的一些力学行为。同时,还利用分子动力学模拟了纳米铜球粒子在撞击刚壁过程中的弹塑性行为。从固体材料熔化及力学行为原子尺度模拟这一角度系统阐述了分子动力学数值模拟技术,讨论了分子动力学模拟中一些关键问题,如温度控制、压力控制、原子势函数等。缺陷结构普遍存在于真实晶体中,特别是在地球内部。我们采用分子动力学方法模拟了有缺陷结构的单晶铜熔化行为。本文重点研究了层错缺陷和晶界缺陷。无论插入型层错还是抽出型层错,对熔化温度的影响基本可以忽略。层错缺陷的存在使得可以同时观察到均匀成核和非均匀成核,但只是稍微增加了成核速率和非均匀成核的概率。对于晶界缺陷本文研究了两种有代表性的对称(110)倾斜晶界,一种是低能量的∑=11/(113)／50.48°,另外一种是高能量的∑=27/(552)／148.41°。结果表明,在晶界区域内连续局部熔化会出现在不连续的整体熔化前,而连续的固态无序化会出现在局部熔化前。对前一种晶界缺陷,晶界区域的预熔化可以忽略不计,局部熔化发生在热动力学熔点附近。整个系统存在约13%的过热。对于后一种晶界缺陷,局部熔化存在着相当可观的预熔化,而整个系统体熔化过热程度已经可以忽略。本文研究了金属铜在静高压下和冲击高压下的熔化行为。对于静高压条件下金属铜的熔化,本文分别利用两相法和过热-过冷回滞曲线法获得了铜在高压下的平衡熔化曲线,两种方法结果非常接近。最大过热和过冷程度独立于压力,近似保持常数。对于冲击熔化行为,我们研究了沿叁个主要晶向(100),(110)和(111)冲击加载铜的熔化。沿(100)和沿(110)、(111)晶向冲击的熔化行为截然不同。对于<100>晶向,固体承受了最大约20%的过热,熔化时有明显的温度降。对于其它两个晶向,其熔化过程为准连续过程,并且存在着大约7%的预熔化。本文借助分子动力学模拟研究了极高应变率下固体铜和液体铜由平面冲击导致的断裂。从自由表面速度历史推断断裂强度σsp和应变率是合理的一阶近似。对弱冲击强度来说断裂强度各向异性较为显着,并随着冲击强度增大逐渐递减。固体中空洞在缺陷位置成核。固体经受弱冲击时,断裂发生时没有伴随着拉伸熔化出现,而对于更强冲击或者当断裂温度Tsp足够高时,部分熔化可能出现在断裂之前或者伴随着断裂出现。断裂温度Tsp在研究的应变率范围内对断裂起着决定性作用。无论是固体铜还是液体铜,断裂强度σsp都随着断裂温度Tsp的增加而降低,并且对液体铜来说其σsp-Tsp成反幂指数关系。本文研究了纳米铜球粒子撞击刚壁的弹塑性行为。铜球粒子在撞击过程中表现出了了高度弹性行为。对较小的粒子(半径小于1 nm),热涨落导致速度恢复系数波动很大,从而使得粒子表现出超弹性行为。对于较大的粒子(半径在2-15 nm范围内),铜球粒子仍然表现出了高度弹性,减小的速度恢复系数是由于碰撞过程中出现了塑性,这将导致不可逆的生热现象发生。
参考文献：
[1]. 铁在冲击压缩下的熔化温度的直接测量[D]. 许灿华. 中国工程物理研究院. 2004
[2]. 冲击压缩下金属熔化温度的直接测量[C]. 谭华, 戴诚达. 第四届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集. 2006
[3]. 冲击压缩下金属高压熔化规律相关问题的理论及实验研究[D]. 冉宪文. 国防科学技术大学. 2006
[4]. 铁的高压物态方程与熔化线研究[D]. 孙峪怀. 西南交通大学. 2009
[5]. 冲击压缩至兆巴压力下铁的电导率及其地球物理意义[D]. 毕延. 中国工程物理研究院北京研究生部. 2002
[6]. 在兆巴压力下金属卸载熔化相变的直接观测及其动力学研究[D]. 张世来. 西南交通大学. 2010
[7]. 疏松铁冲击卸载声速与铁的高压熔化线研究[D]. 杨美霞. 西南交通大学. 2005
[8]. 外地核候选物质的动高压实验研究[D]. 胡晓军. 武汉理工大学. 2012
[9]. 高压下铁的熔化曲线及外地核候选组分的约束性研究[D]. 黄海军. 中国工程物理研究院. 2005
[10]. 铜缺陷熔化及其冲击力学行为的分子动力学模拟[D]. 韩立波. 中国科学技术大学. 2010