金屬鐵、鈷、鎳和鎳鋁合金熔化性質的理論研究.pdf

1、高溫高壓下材料相變及熔化性質研究是凝聚態(tài)物理領域一個基本課題，也是高壓科學研究的熱點。特別是對極端條件下材料熔化性質研究能夠為我們揭示物質在臨界狀態(tài)下的固、液結構和變化規(guī)律，這對深入理解物質熔化本質具有十分重要的物理意義。材料在高壓下的熔化曲線、熔化熵和固液界面能等是研究熔化本質的主要手段?；诮?jīng)典分子動力學模擬，本文詳細調查了Fe、Co、Ni和NiAl合金的熔化性質，期望從中找到一些基本規(guī)律，為深入理解熔化本質提供一些有益參考。此外，

2、本文在調查NiAl合金高壓熔化性質基礎上，利用密度泛函第一性原理計算并結合準諧德拜模型，詳細調查了NiAl合金高壓熱動力學性質，期望能為實驗研究其高壓物性提供理論參考。
　　采用經(jīng)典分子動力學模擬，本文首先研究了金屬鐵的高溫高壓熔化性質。鐵是構成地球固態(tài)內核和液態(tài)外核的主要元素，其在極端條件下的熔化性質可用來決定地球內外核邊界的溫度，這對建構地核的地球物理和地球化學模型至關重要。然而，鐵的熔化性質一直存在爭議，在低壓，不同實驗組獲

3、得的激光加熱金剛石壓砧氣室(DAC)值存在著500-600K的分歧，延展DAC熔化溫度到?jīng)_擊波(SW)實驗存在的高壓，兩者熔化溫度差高達數(shù)千攝氏度。此外，現(xiàn)存的沖擊波實驗數(shù)據(jù)也存在著較大分歧。因此，調查高溫高壓下鐵的熔化性質具有十分重要的科學意義。采用一相、二相和Z模擬，運用嵌入原子勢模型(EAM)，我們詳細調查了金屬鐵的高壓熔化曲線。研究表明三種方法獲得的熔化曲線比較吻合，特別是在高壓。理論得到的兩相熔化曲線不僅與低壓DAC實驗相吻合

4、，還與沖擊熔化數(shù)據(jù)符合的較好。另外，我們還計算了金屬鐵的高壓熔化熵和固液界面能，為實驗測量提供數(shù)據(jù)基礎。
　　金屬鈷和鎳是兩種重要的過渡金屬，它們在催化工業(yè)上有著重要應用。如將鈷或鎳原子摻雜到石墨烯中，能夠極大地提高石墨烯襯底對CO氧化反應的催化活性，從而使得這些非貴金屬成為貴金屬催化劑的理想替代者。鈷和鎳還是構成地核的微量元素，在周期表中緊鄰著鐵，對其熔化性質的研究有助于加深對鐵熔化性質的理解。此外，在考慮微量元素的新的地核模型

5、中，對鈷和鎳熔化性質研究有助于建構新的地核溫度分布模型。在文中，我們采用兩個嵌入原子勢，研究了鈷的熔化曲線。通過分析發(fā)現(xiàn)，Zhou等人的嵌入原子方法勢能夠給出一個比較好的熔化曲線，與低壓激光加熱金剛石氣室值符合較好。由于缺乏高壓實驗熔化數(shù)據(jù)，這獲得的高壓熔化曲線可為實驗研究提供有益參考?；赯hou勢，我們調查了鈷的固液結構、熔融熵和固液界面能，獲得了較好的結果。對鎳熔化性質的研究，我們采用三個EAM勢和兩個模擬技術。我們發(fā)現(xiàn)Mende

6、lev等人的EAM勢能夠復制一個滿意的熔化曲線，與低壓DAC和高壓SW值相一致。和鈷一樣，由于缺乏高壓熔化數(shù)據(jù)，這獲得的高壓熔化曲線可為實驗研究提供數(shù)據(jù)基礎。此外，基于Mendelev勢，我們還研究了鎳的固液結構、熔融熵和固液界面能，其在零壓下的物理性質與實驗相一致。
　　NiAl合金是一種重要的功能材料，以其高熔點、低密度、高熱導和良好的抗氧化性等優(yōu)點，廣泛用在航空航天和汽車工業(yè)上。不幸的是，至今還沒有其高壓熔化數(shù)據(jù)的報道。本文

7、基于Pun和Mishin開發(fā)的EAM勢，詳細調查了NiAl合金的高壓熔化性質。為了評估Pun和Mishin勢的可靠性，在計算熔化性質之前，我們首先調查了NiAl合金的晶格常數(shù)和彈性性質，與實驗結果符合很好，證實Pun和Mishin勢是可靠的。依靠Pun和Mishin勢，我們分別采取了單相和兩相模擬，詳細調查了NiAl合金及其組份Ni和Al的熔化曲線。在零壓下，NiAl合金熔點與實驗值相一致。鎳的熔化曲線與實驗符合的較好，而鋁的熔化曲線與

8、實驗存在較大分歧，這可能是由于勢的不足造成的。通過對Fe、Co、Ni及NiAl合金熔化性質的研究，我們發(fā)現(xiàn)，一相、兩相和Z模擬都能很好地減少過熱;一相和Z方法是兩相方法有益的補充。
　　利用第一性原理，采用廣義梯度近似和準諧德拜模型，我們計算了NiAl合金高溫高壓B2相的熱動力學性質，包括熱狀態(tài)方程、熱膨脹系數(shù)、熱熔和德拜溫度等。結果表明，熱狀態(tài)方程與靜壓實驗結果相吻合，準諧德拜模型在高壓能夠適用于高溫。
　　本文基于經(jīng)典分