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《中国工程物理研究院》 2004年
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金属材料高压物态方程及Gr(?)nesisen

吴强  
【摘要】:本文首先简要介绍了高温高压物态方程研究的内容和意义,并在三项式物态方程和Grüneisen物态方程的基础上,对固体材料压缩特性中与“冷贡献”有关的普适等温物态方程(严格讲是指OK等温压缩线)和与“热贡献”有关的Grüneisen系数γ的研究工作进展做了较为全面的回顾和分析。在以上分析的基础上,针对目前高温高压物态方程研究中存在的问题,提出了本文如下两项主要研究内容:(1)提出一种能合理确定零压等温体积模量B_(OK)及其对压力的一阶导数B′_(OK)和零压比容V_(OK)等OK等温物态方程初始输入参数的方法,并以此为基础,寻求一种能对金属材料在TPa压力范围内OK等温压缩特性进行精确理论预测的普适的等温物态方程函数形式;(2)在与上述研究内容理论框架一致的条件下,对Grüneisen系数γ在高温高压下的演化特性进行分析和描述。 在对Grüneisen系数的高温高压演化特性不作任何假设的前提下,本文建立了一种不依赖于等温物态方程具体形式,通过实测Hugoniot物态方程直接确定OK零压等温体积模量B_(OK)及其对压力的一阶导数B′_(OK)的方法。通过与实验和理论数据的综合分析和比较,表明我们基于室温Hugoniot实验数据确定B_(OK)和B′_(OK)的方法是合理的。与传统的超声测量实验方法和基于近OK或300K等温压缩线的拟合确定方法相比,这一方法不仅简便易行,而且所得到数据具有较高的精度。此外,OK零压比容V_(OK)的确定考虑了在Grüneisen物态方程的框架内使其与其它相应的室温零压特性参数相适配,以避免其中所包含的误差对描述材料低压特性产生较大的影响。 以上述确定的OK等温物态方程输入参数B_(OK)、B′_(OK)和V_(OK)为基础,采用目前常用的十种普适等温物态方程计算了Na、Al、Cu、Mo、Pd、Ag、In、W、Pt和Au等十种金属的OK等温线,并经过简单的温度修正,确定了相应的300K等温线。通过与实验数据和理论计算结果的比较,发现以Born-Meyer相互作用势为基础的BM物态方程,在数百GPa的压力范围内,与静高压实验数据间具有极佳的吻合程度;而在TPa量级的压力范围内,与第一性原理等理论计算结果间具有良好的一致性。以上结果表明对金属材料而言,在TPa量级的压力范围内,BM物态方程具有良好的普适性。 在BM物态方程对金属材料普适性得到认可的基础上,提出了一个联立BM物态方程与实测Hugoniot物态方程,按照Grüneisen系数γ基本定义直接计算γ沿Hugoniot线(记为γ_(GB))演化规律的方法。与目前常用的、包含于γ统一表达式中的各类晶格动力学模型相比,这一方法有效地回避了在计算前必须预先设定所研究固体材料晶格参数g值的约束。用此方法计算了Na、Al、Cu、Mo、Pd、Ag、In、Ta、W、Pt和Au等十一种金属的γ_(GB),揭示出Grüneisen系数的高压渐变特性及低压剧变特性,并且发现各种金属都存在着一个特定的临界压力值,可对这两个压力区间进行定量的划分。另一方面,通过与其它理论和经验模型计算结果的相互比较,对γ_(GB)的合理性进行了分析和讨论。首先, 研究发现YGB的高压渐变特性可采用目前较为公认的“修正的自由体积理论”丫汕进行 精确的描述,并且Ym斤中特征参数g不应归属于某类材料常数的一种度量,而应是表征 热力学变量的一种度量;其次,通过引入两个与上述临界压力状态相关的特征量标识不 同的材料,经验地构造了一个普适的函数关系,有效地预测了定容比热C:随压力的变 化规律,以此为基础而给出的热力学GrUneisen系数Yth精确地再现了YGB的低压剧变特 性。YGB与Ym加和Yth是完全不同的三种计算方法,而所得结果却分别在高压和低压区 具有良好的一致性,表明本文所揭示的G成比eisen系数的演化特性是合理的。
【学位授予单位】:中国工程物理研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:O414.12

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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