金属Bi的卸载熔化实验研究

在火炮上利用金属铋(Bi)直接撞击单晶LiF窗口, 开展了金属Bi反向碰撞的冲击加载-卸载实验研究, 实验采用激光位移干涉测试系统, 获得了金属Bi在11—16 GPa压力范围内完整的卸载粒子速度剖面. 实验结果结合特征线方法计算表明, 金属Bi经冲击加载进入体心立方相, 并在11—16 GPa冲击压力作用下发生了卸载熔化, 界面粒子速度剖面的卸载拐点, 对应着金属Bi经冲击加载后发生的卸载熔化, 而这一结论同Cox的理论计算及一维流体力学程序计算结果基本一致. 本文报道的金属Bi卸载波剖面解读技术, 对于认识冲击加载下其他相似材料相变具有实用价值.     

反向碰撞法测量Sn的高压卸载声速

采用任意反射面速度干涉系统,通过对窗口碰撞面做特殊防护处理,发展了反向加载测量高压卸载声速的实验技术,解决了以往因使用缓冲层而不能得到样品材料体积声速的局限.利用该方法测量了Sn样品在37—80 GPa压力范围内的高压卸载声速,得到了较高精度的声速测量结果(纵波声速测量误差约为2%,体积声速误差约为5%),且与热力学理论计算结果一致. 关键词： 卸载声速 反向碰撞法 任意反射面速度干涉系统 Sn     

用Hugoniot数据计算高压状态方程

提出了利用Hugoniot数据、变形Morse势和Grüneisen模型来确定固体材料的高压状态方程的方法。该方法物理意义明确,表达式简洁。用此方法计算Au的高压状态方程,将所得的状态方程与Sesame数据库中Au的状态方程进行比较,发现在密度20~28 g/cm3内两者吻合较好,相对误差在0~10%的范围内,表明运用Hugoniot数据结合Grüneisen模型计算材料的状态方程是很适合的。     

利用光分析方法测量液态CO多次冲击Hugoniot状态方程

 结合液氮低温靶技术和光分析方法同时测量液态CO样品的第一、二、三次冲击Hugoniot状态方程,分别在19、60和71 GPa获得3个数据点。样品体积的最大压缩度达到3.5倍,比文献发表的一次冲击最大压缩度提高20%以上。体积测量值比分子流体微扰变分理论的计算结果偏低20%以上,体积发生明显软化现象归因于CO分解反应所致。详述了多次冲击过程的光分析测量方法,该方法应用于其它分子流体可将其物态方程的实验数据点延伸到更高压力和更宽的压缩范围。     

液氘Hugoniot曲线的理论计算

 用液体变分微扰理论加量子力学修正和指数6（EXP-6）相互作用势，计算了液氘的一次和二次冲击压力为0～80 GPa范围Hugoniot曲线。计算结果表明：冲击压力与实验符合较好。但冲击温度明显高于实验值，对其偏高的原因进行了探讨。     

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Grüneisen参数。还对β值为常数的适用范围作了讨论。     

Hugoniot实验的粒子速度测量不确定度分析

 不确定度评定是Hugoniot实验的一项重要工作,针对飞片撞击法和对比法两类主要Hugoniot实验进行了粒子速度的测量不确定度分析。根据直接测量量和间接输入量及其不确定度,用不确定度传递律表述了粒子速度的不确定度,并给出了冲击压强（p）、压缩密度（ρ）和压缩比容（v）的评定方法。对于样品和基板为不同材料的非对称碰撞及对比法实验,不确定度评定除A类评定外还应包括B类评定,应考虑用Hugoniot镜像线近似二次冲击绝热线或卸载线而导入的不确定度。在Hugoniot实验中应尽量避免涉及B类评定的其它因素,如同种材料初始密度的显著差异、飞片击靶前的温升等情况。     

飞片温升对Hugoniot参数测量的影响

 在格临爱森物态方程框架内建立了一种估算高温材料Hugoniot参数的理论方法,这种方法计算简单,原则上适用于各种固体材料,弥补了BACT方法的缺点。结合一些Hugoniot实验数据研究了实验中飞片的温升对粒子速度的影响。数值计算表明：飞片温升对粒子速度造成的不确定度非常小,因此在数据处理中,假定飞片的Hugoniot参数不变是合理的。     

预加热金属Hugoniot参数和界面温度的联合测试技术

 发展了一种可用于轻气炮压缩实验的电阻丝预加热装置和高温靶实验测试技术,通过微热电偶丝实时测量了预加热金属的初始温度,并利用非接触式光纤探针技术实现了Hugoniot参数和界面温度的同时测量。常温下实测的金属Ta的冲击波速度D和粒子速度u与文献报道的冲击实验数据相符,而初温773 K金属Ta的(D, u)数据则低于采用Mie-Grüneisen状态方程计算的结果;实测的界面温度与Lindeman熔化线和第一性原理的计算结果均符合较好。实验结果表明,所设计的高温靶装置及相关实验诊断技术是可行并有效的,为今后开展材料动态性能的温度效应研究提供了一种有效的技术途径。     

飞片温升对Hugoniot参数测量的影响

近年来，为了从事在超高压力下的物态方程研究，人们发展了许多加载技术，如：多级驱动、多级爆轰、激光驱动、磁驱动等，这些技术均突破了传统加载装置（化爆、气体炮等）的能力极限。但是，在实验中也出现了一个比较严峻的问题，即飞片在撞击样品（待测材料）前的驱动过程中被加热至较高的温度。飞片作为标准材料，在实验数据处理中需要引入其Hugoniot参数，而这些参数一般是在常温下测量的，称为主Hugoniot参数。飞片被加热后，初始状态偏离了常温态，其Hugoniot参数是未知的。在数据处理中，     

沿等压路径求解疏松材料Hugoniot关系的微分方程组及其求解

 根据固体材料的三项式物态方程和Grüneisen物态方程,导出了沿等压路径求解疏松材料冲击温度和压缩体积随初始密度变化的微分方程组。从体积的微分方程出发,在假定Wu-Jing参量为常数的前提下,导出了冲击压缩体积和体积-焓物态方程的Wu-Jing表达式。采用数值差分方法求解微分方程组,计算了疏松铜的冲击压缩特性,并与文献中部分实验数据进行了比较,特别强调了热电子对冲击压缩体积、冲击温度和Wu-Jing参数的贡献。还讨论了Grüneisen物态方程与Wu-Jing物态方程的内在联系及后者的适用范围。     

The Hugoniot equation of state of the fluid He+D2 mixtures

The fluid variational theory and effective one-component model have been used to calculate the Hugoniot equation of state (EOS) of fluid He, D2, and He+D2 mixtures with different He:D2 compositions under high pressures and temperatures. An examination of the confidence of above computation is performed by comparing experiment and calculation, in which the similar calculation procedure used for He+D2 is adopted, of He and D2 each, since no experimental data are available to conduct this kind of comparison. Good agreement in both comparisons is found. This fact may be looked as if an indirect positive verification of calculation procedure used here at least in the pressure and temperature domain covered by the experimental data of He and D2 used for comparison, numerically nearly up to 35 GPa and 105K.     

C30混凝土冲击绝热关系和Grüneisen型状态方程的实验研究

采用一级气炮加载技术和锰铜压力计测试技术,对含初始空隙的C30混凝土在一维应变条件下的冲击特性进行了实验测量和分析.基于锰铜压力计测量的压力波形,确定了C30混凝土材料的冲击绝热关系,即冲击波速度D与波后粒子速度u之间满足线性关系.再从C30混凝土的冲击绝热数据出发,获得了计及初始空隙度₀影响的多项式形式Grüneisen型状态方程中的各项系数.实测压力波形还显示：不同位置处的压力波形在迅速上升至峰值后均随时间逐渐衰减,而冲击波峰值又随传播 关键词： Grüneisen型状态方程 冲击绝热关系 混凝土     

Bi在固液混合相区的冲击参数测量及声速软化特性

冲击相变与熔化作为材料特性的一项重要研究内容,对于多相物态方程构建具有重要意义.本文利用追赶稀疏原理和阻滞法,基于火炮加载技术获得了17.3—28.3 GPa范围内纯铋(Bi)的高精度声速数据和Hugoniot参数,分析了声速软化规律,得到固-液混合相区Bi材料声速随压力的近似线性递减关系C=3.682-0.015p,并进一步确定Bi的冲击熔化压力区间为18—27.4 GPa.同时,Bi/Li F界面速度剖面的预期平台段在固液混合相区表现出渐进爬升的异常特征,分析认为,该现象与Bi材料的非均匀熔化动力学行为及冲击熔化完成时间尺度较长有关.     

铋的固相及液相多相状态方程研究

铋在高温高压下存在一系列复杂相结构,相变伴随着密度、内能等物理性质的改变.采用半经验三项式Helmholtz自由能表达式,构建了铋的五个固相及液相的多相状态方程,其中离子热振动自由能计算基于经典平均场理论给出的平均场势函数模型开展.研究结果表明,状态方程计算给出的铋的相图、等温压缩线、液相的温度-密度曲线以及冲击Hugoniot线等均与实验测量符合较好,故可认为本文构建的铋的多相状态方程具有良好的参数合理性以及模型适用性.     

Temperature dependence of bismuth structures under high pressure

It is unclear whether there is a liquid-liquid phase transition or not in the bismuth melt at high temperature and high pressure. If so, it will be necessary to confirm the boundary of the liquid-liquid phase transition and clarify whether it is a first-order phase transition. Here, based on x-ray absorption spectra and simulations, the temperature dependence of bismuth structures is investigated under different pressures. According to the similarity of characteristic peaks of x-ray absorption near edge structure (XANES) spectra, we estimate the possible temperature ranges of liquid-liquid phase transition to be 779-799 K at 2.74 GPa and 859-879 K at 2.78 GPa, 809-819 K at 3.38 GPa and 829-839 K at 3.39 GPa and 729-739 K at 4.78 GPa. Using ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations, we obtain the stable structures of the bismuth melt at different temperatures and pressures, and calculated their electronic structures. Meanwhile, two stable phases (phase III-like and phase IV-like) of bismuth melts are obtained from different initial phases of bismuth solids (phase III and phase IV) under the same condition (3.20 GPa and 800 K). Assuming that the bismuth melt undergoes a phase transition from IV-like to III-like between 809 K and 819 K at 3.38 GPa, the calculated electronic structures are consistent with the XANES spectra, which provides a possible explanation for the first-order liquid-liquid phase transition.     

Thorium under strong compression—a test case for the evaluation of EOS data by different forms and procedures

Abstract

X-ray diffraction on Thorium under pressures to 300 GPa at ambient temperature provides new EOS data for both the (low pressure) fcc phase as well as for the (high pressure) bct phase. A detailed evaluation of these data and a comparison with previous results shows systematic differences in the fitted parameters resulting from the use of different EOS forms and from the correlations in the parameters used in all these fitting procedures. The absolute uncertainties in these parameters are elucidated and special attention is given to the compatibility of different EOS forms for phases which are related by second order transitions.