在兆巴压力下金属卸载熔化相变的直接观测与其动力学分析

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1．1研究铁的高压熔化相变的科学意义金属铁具有优良的物理性质，被广泛用作功能和结构材料。但由于铁自身具有比较复杂的原子结构和晶体结构(如铁具有多种相态，包括体心立方(bcc)结构的口相，面心立方(fcc)结构的y相，六角密排(hcp)的高压g相和低压高温的万相(bcc)等)，人们对它的研究仍在继续。尤其在高温高压极端条件下，人们对铁的物理性质还是知之甚少。对铁高压熔化相变的研究将有助于人们理解相变特性，尤其是与冲击高压有关的相变过程【l】【2】【3】。铁不仅是重要的金属材料，而且还是地

2、球物质的重要成分。研究表明，地核主要由大量的铁元素和少量的硫、硅、氧等轻元素组成，且这些物质都处在极端高温高压状态。地震波观测结果已经证实，地球内核为固态而外核以液态存在，内～外核分界处的压力约为330Gpa[4】【51。如果能在实验室确定铁的高压熔化线，就可以定出地球内(固)一外(液)核界面的温度值。这个温度值对人们认识地球深部的温度分布和热流状况，乃至分析和预测由地球深部运动引起的地震、海啸、火山爆发等自然灾害，都具有重要意义。因此金属铁的高压熔化相变研究和熔化温度测量在地球科学中也是一个重要的课题【5儿61。由此可见，铁的高

3、压条件下的熔化曲线和熔化相变动力学的研究，不仅在凝聚态物理、热力学和统计物理中占有重要地位，而且对地核的物理建模也起着决定性作用。只有精确测定了铁的高压熔化曲线、物态方程及相图之后，我们才可以真正认识地球内核，并推动对地磁场成因及地球深部物质运动的动力学问题的认识，提高人类对地球环境的认识水平。1．2金属冲击一卸载熔化相变的研究历史及现状高压熔化相变现象是高压科技界十分关注的问题之一【7】【8】。在静高压领域，高压条件通常由DAC技术产生，高温则采用电阻式加热或激光加热技术实现。其特点是压力与温度可以单独直接控制，但它的缺点是样品

4、尺寸太小(通常在微米量级)pJ。在动高压研究领域，高温和高压条件由冲击波加载技术同时完成。其优点是样品尺寸在毫米以上【lo】且温度和压力分布均匀，但缺点是温度和压力不能单独控制【111。本节回顾人们利用冲击波技术研究高压熔化现象的历史。根据热力学理论，如果物质的状态跨越其高压熔化线即会发生熔化现象。由于熔化相变通常伴随吸热效应或压力变化，人们可以借助温度或压力的变化判断熔化现象是否发生。在冲击波引起金属物质发生熔化相变存在两种途径，即冲击熔化【l2J【l3J和卸载熔化【14】115】【16】【17】。前者指金属在冲击压缩过程中跨越

5、熔化线进入液相区，而后者指金属先经历冲击压缩过程达到某高温高压固态再经历一个卸载膨胀过程才进入液相区。对于非透明的金属而言，只有卸载熔化现象才可能借助光学方法进行直接观测ll4J【15j。具体方法是，在金属样品后放置光学透明窗口，金属样品先被冲击压缩到高温高压固相状态，当冲击波到达金属／窗口界面时，金属样品在界面处会经历一个等熵膨胀过程，随后维持卸载状态。透过窗口可以直接观测该卸载状态的光辐射特性并获取辐射温度信息。可见，解决金属的冲击一卸载温度测量技术成为研究卸载熔化现象的基础，人们在这方面已积累了丰富经验。西南交通大学硕士研究

6、生学位论文第2页1．2．1金属的冲击一卸载温度测量技术发展历史在国外，早在1963年就有科学家开始研究金属铜的冲击一卸载温度测量问题【l引。1966年，McQueentl9】等人开始研究铁镍合金的冲击一卸载温度测量。但由于早期实验研究受仪器精度低、测量方法不成熟、测量结果的分散性大、重复性差等诸多因素限制，使得该问题的争议不断。直到上个世纪70年代，R．Grover和P．A．UrtJew才建立起较为科学的测量金属冲击温度的实验方法以及较为科学的实验数据分析方法【20】【2l】【221。在实验技术上，他们主要是通过测量金属样品与窗口

7、直接接触界面的热辐射亮度分布获得有关温度的信息。由于金属与窗口之间的接触情况直接影响实验结果，所以要求金属与窗口的表面必须进行精细的抛光处理。在理论方面，他们利用不同的热传导模型对理想接触以及存在间隙情况的实验结果进行了分析。结果表明，在理想接触情况下，界面处出现稳定辐射，即界面温度不随时间变化：而当存在间隙时，界面处的热辐射信号出现“尖峰”特征，由尖峰幅度拟合给出的温度值比真实体积内温度高得多，证实了金属／窗口界面处存在一个高温层。在文献[22]中，R．Grover通过分析了基板／窗口界面处存在高温层的情况下热量在基板及窗口之间

8、的传导过程，并给出不同接触条件下基板／窗口界面温度随时间的变化情况。上个世纪80年代，MarkB．Boslough建立了物质在冲击波作用下辐射强度随时间变化的模型，分析了五种情形下辐射强度随时间的变化关系【7J。在国内，20世纪90年代，古成刚【2