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铁高压熔化线研究

作　者: 李西军
导　师: 经福谦
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 凝聚态物理
关键词: 高压熔化线界面温度热传导模型冲击波法多孔铁金刚石压砧装置 Grüneisen系数冲击温度测量傅立叶冲击波速度
分类号: O521.2
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

近年来，在地球深部物质物性研究领域出现的一个重要课题是：用冲击波法测量的铁的高压熔化线（p_H＞200GPa范围）比用金刚石压砧装置测得的数据（p＜200GPa范围）系统地偏高（在同一压力下，温度偏高）。由于这些数据对界定地核的热结构至关重要，因而引起了广泛关注。本文试图利用多孔材料冲击温度高于密实材料冲击温度（在相同的冲击压力下）的特性，直接测量较低压力下铁的熔化温度，以进一步验证上述的系统偏离程度，并结合新近发展的固体熔化理论，以求对上述系统偏离现象作出澄清和解释。通过研究和分析，取得以下新数据和新认识：（1）对冲击温度测量数据处理中涉及到的重要问题—界面温度解，本文作了较为系统的讨论和评述。目前常用的解是Gover和Urtiew从傅立叶热传导模型出发导出的，有较好的近似性和适用性。但也存在两个问题：一是物理上的不自洽性（热波速度无限大和击波速度远大于热传导速度）；二是求解中需要用到的一个目前无法实测的在高温高压条件下的介质的热导率数据。为此，我们回顾了非傅立叶热传导模型解、热阻模型解及汤文辉等人提出的由金属透光性（光学厚度）引起界面温度初期表观热辐射峰状结构问题。尽管这三个模型的物理本质不一样，但它们的界面温度解都有一个共同点—界面温度解中有一个初始温度峰值，只是，大约经过10ns后，它要弛豫到由傅立叶热传导模型导出的界面温度。这个结果正是傅立叶热传导模型近似性的所在，在目前用于测量界面温度的辐射高温计系统的时间分辨率约为10— 20ns的情况下，上述的初始峰值难以被记录下来，因而傅立叶热传导解的近似性被视为是可以“容忍”的，并得以广泛应用。“坏事可以变为好事”，后三个模型为我们带来了新机遇，即记录中的辐射峰值对应着金属的卸载温度（误差约5%）。如果它能被记录下来，就可以免去难以精确测定高温高压下介质热导率数据的烦恼，因为这个数据是傅立叶热传导模型中从界面温度计算卸载温度时必不可少的。显然，实现这个新希望的关键技术是要把高温计系统的时间分辨率提高到1ns。（2）测量铁高压熔化线的技术基础是冲击温度的测量。冲击温度测量实验中，数据处理要用到另一个重要的材料参数是Grüneisen系数γ。为此，我们对多孔铁（ρ₀0=6.904 g/cm³，以后不再注明）的Hugoniot物态方程作了精密测量，得到的冲击波速度关系式：D=2.997+1.603u_p（km/s），式中D和u_p分别是冲击波速度和波后粒子速度。然后，通过Grüneisen物态方程，得到了铁的Grüneisen系数γ，它可以用经验公式：γ/Vⁿ=γ₀/（Vⁿ）₀ γ₀=1.945，n=1，ρ₀=7.856g/cm³表示，式中v为比容。本文计算γ时首次引入了多孔铁样品熔化的修正。（3）用光分析法测量了冲击压缩状态下多孔铁的声速。实验结果是：在p_H＜122GPa区卜李西军铁高压熔化线研究2000．4 测得的是纵波声速；其经验拟合式是：c；＝5．951＋1二24！up。－0口349In‘p。，p。的单位是＊比，c．的单位是Ms，表明在该压力区，多孔铁具有固体性质：在阶157 GPGP。区测得的是体声速C旷表明该压力区多孔铁己转变为液体。因此，可以把该多孔铁的冲击熔化压力限制在122157GPa范围内。结合冲击温度计算，在THh平面上划出了铁的一个熔化线范围，并发现，这个范围大致位于Williams等人和YOo等人用冲击波法测得的铁的高压熔化线向低压方向的外推上。＊)根据 Tan等人提出的金属样品发生熔化情况下的界面温度模型，用模型计算和实验测量相结合的方法，借助多孔铁样品，确定了铁的两个熔化温度，它们分别是（171．4GPa，5550—5730K）和（98GPa，4470－4610K）。这两个点基本落在前人用冲击波法测得的铁的高压熔化线向低压方向的外推线上。高压声速和冲击温度测量结果都支持了前人发表的用冲击波法测得的铁的高压熔化线的合理性。换句话说，用冲击波方法和用金刚石压砧技术测得的铁的高压熔化线之间的系统偏差确属客观存在。（5）根据冲击波和金刚石压砧技术的加温加压方式和判定熔化的准则，经过分析，本文选用表面预熔化模型修正用金刚石压砧技术测得的熔化数据，选用卢柯等人提出的晶格过热熔化的各向同性成核灾变模型修正冲击波法的测量数据。修正后的两组数据基本是相互吻合的。因此，物理上，真实的高压熔化线大致位于两条原始熔化线之间。看来，我们已经找到了造成两条熔化线数据之间系统偏差的物理原因、初步化解了一个物理疑难。下一步的工作目标应是对铁高压熔化线数据的精密化，工作量还是很大的。

全文目录

中文摘要  2-4
英文摘要  4-8
第一章铁的高压相图、熔化线研究的意义、历史回顾及本文内容  8-18
  引言  8
  1．1 静压法研究铁相图和熔化线的历史回顾  8-11
  1．2 动高压法研究铁相图和熔化线的历史回顾  11-12
  1．3 铁的相图和熔化线研究中现存的问题  12-14
  1．4 本文研究内容  14-15
  参考文献  15-18
第二章金属冲击温度测量中的两个物理问题：样品/界面热传导及辐射界面的温度梯度  18-36
  引言  18
  2．1 冲击温度测量的物理基础  18-21
  2．2 样品/窗口界面热传导模型  21-28
  2．3 界面温度梯度对辐射温度测量的影响  28-32
  2．4 小结  32-34
  参考文献  34-36
第三章多孔铁的Hugoniot状态方程  36-58
  引言  36
  3．1 多孔铁的Hugoniot状态参量的测量  36-48
    3．1．1 实验样品的制备和特性  36-40
    3．1．2 实验原理  40-43
    3．1．3 实验装置及技术  43-44
    3．1．4 实验数据处理方法  44-46
    3．1．5 实验测量结果  46-48
  3．2 多孔铁实测Hugoniot线与Wu-Jing模型的比较  48-51
  3．3 铁的Grüneisen参数  51-55
  3．4 小结  55-57
  参考文献  57-58
第四章多孔铁的高压声速和冲击熔化  58-77
  引言  58-59
  4．1 多孔铁的静高压超声声速的测量  59-62
  4．2 多孔铁的动高压声速测量  62-73
    4．2．1 实验原理  63-66
    4．2．2 实验系统与测量技术  66-67
    4．2．3 实验结果及分析  67-73
  4．4 小结  73-75
  参考文献  75-77
第五章铁高压熔化线的实验和理论分析  77-95
  引言  77-78
  5．1 冲击熔化过程的理论分析  78-84
    5．1．1 基础公式  78-80
    5．1．2 冲击加载及卸载过程发生相变的状态参量的计算  80-82
    5．1．3 对多孔铁（ρ_00=6．904g/cm~3）的计算  82-84
  5．2 多孔铁冲击熔化温度的实验测量  84-88
  5．3 高压熔化的尺寸效应和加载速率效应  88-91
  5．4 小结  91-93
  参考文献  93-95
全文总结  95-97
致谢  97-98
附录  98

铁高压熔化线研究

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