金属铁、钴、镍和镍铝合金熔化性质的理论研究

【摘要】高温高压下材料相变及熔化性质研究是凝聚态物理领域一个基本课题，也是高压科学研究的热点。特别是对极端条件下材料熔化性质研究能够为我们揭示物质在临界状态下的固、液结构和变化规律，这对深入理解物质熔化本质具有十分重要的物理意义。材料在高压下的熔化曲线、熔化熵和固液界面能等是研究熔化本质的主要手段。基于经典分子动力学模拟，本文详细调查了Fe、Co、Ni和NiAl合金的熔化性质，期望从中找到一些基本规律，为深入理解熔化本质提供一些有益参考。此外，本文在调查NiAl合金高压熔化性质基础上，利用密度泛函第一性原理计算并结合准谐德拜模型，详细调查了NiAl合金高压热动力学性质，期望能为实验研究其高压物性提供理论参考。采用经典分子动力学模拟，本文首先研究了金属铁的高温高压熔化性质。铁是构成地球固态内核和液态外核的主要元素，其在极端条件下的熔化性质可用来决定地球内外核边界的温度，这对建构地核的地球物理和地球化学模型至关重要。然而，铁的熔化性质一直存在争议，在低压，不同实验组获得的激光加热金刚石压砧气室（DAC）值存在着500-600K的分歧，延展DAC熔化温度到冲击波（SW）实验存在的高压，两者熔化温度差高达数千摄氏度。此外，现存的冲击波实验数据也存在着较大分歧。因此，调查高温高压下铁的熔化性质具有十分重要的科学意义。采用一相、二相和Z模拟，运用嵌入原子势模型（EAM），我们详细调查了金属铁的高压熔化曲线。研究表明三种方法获得的熔化曲线比较吻合，特别是在高压。理论得到的两相熔化曲线不仅与低压DAC实验相吻合，还与冲击熔化数据符合的较好。另外，我们还计算了金属铁的高压熔化熵和固液界面能，为实验测量提供数据基础。金属钴和镍是两种重要的过渡金属，它们在催化工业上有着重要应用。如将钴或镍原子掺杂到石墨烯中，能够极大地提高石墨烯衬底对CO氧化反应的催化活性，从而使得这些非贵金属成为贵金属催化剂的理想替代者。钴和镍还是构成地核的微量元素，在周期表中紧邻着铁，对其熔化性质的研究有助于加深对铁熔化性质的理解。此外，在考虑微量元素的新的地核模型中，对钴和镍熔化性质研究有助于建构新的地核温度分布模型。在文中，我们采用两个嵌入原子势，研究了钴的熔化曲线。通过分析发现，Zhou等人的嵌入原子方法势能够给出一个比较好的熔化曲线，与低压激光加热金刚石气室值符合较好。由于缺乏高压实验熔化数据，这获得的高压熔化曲线可为实验研究提供有益参考。基于Zhou势，我们调查了钴的固液结构、熔融熵和固液界面能，获得了较好的结果。对镍熔化性质的研究，我们采用三个EAM势和两个模拟技术。我们发现Mendelev等人的EAM势能够复制一个满意的熔化曲线，与低压DAC和高压SW值相一致。和钴一样，由于缺乏高压熔化数据，这获得的高压熔化曲线可为实验研究提供数据基础。此外，基于Mendelev势，我们还研究了镍的固液结构、熔融熵和固液界面能，其在零压下的物理性质与实验相一致。NiAl合金是一种重要的功能材料，以其高熔点、低密度、高热导和良好的抗氧化性等优点，广泛用在航空航天和汽车工业上。不幸的是，至今还没有其高压熔化数据的报道。本文基于Pun和Mishin开发的EAM势，详细调查了NiAl合金的高压熔化性质。为了评估Pun和Mishin势的可靠性，在计算熔化性质之前，我们首先调查了NiAl合金的晶格常数和弹性性质，与实验结果符合很好，证实Pun和Mishin势是可靠的。依靠Pun和Mishin势，我们分别采取了单相和两相模拟，详细调查了NiAl合金及其组份Ni和Al的熔化曲线。在零压下，NiAl合金熔点与实验值相一致。镍的熔化曲线与实验符合的较好，而铝的熔化曲线与实验存在较大分歧，这可能是由于势的不足造成的。通过对Fe、Co、Ni及NiAl合金熔化性质的研究，我们发现，一相、两相和Z模拟都能很好地减少过热;一相和Z方法是两相方法有益的补充。利用第一性原理，采用广义梯度近似和准谐德拜模型，我们计算了NiAl合金高温高压B2相的热动力学性质，包括热状态方程、热膨胀系数、热熔和德拜温度等。结果表明，热状态方程与静压实验结果相吻合，准谐德拜模型在高压能够适用于高温。本文基于经典分子动力学模拟和第一性原理计算，通过对Fe、Co、Ni和NiAl合金高压熔化性质以及对NiAl合金高压热动力学性质的研究，期望能够为实验研究Fe、Co、Ni和NiAl合金高压熔化性质提供有力的理论引导，也期望能够为深入理解NiAl合金高温高压热动力学性质提供有用参考。
【作者】张文晋；
【导师】彭玉峰；
【作者基本信息】河南师范大学，理论物理，2014，博士
【关键词】熔化；状态方程；热动力学性质；分子动力学；密度泛函理论；

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