金屬材料多相物態方程相關問題研究

《金屬材料多相物態方程相關問題研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由張平擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：金屬材料多相物態方程相關問題研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：張平
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

金屬材料的多相物態方程研究對於武器物理、地球物理、慣性約束聚變等極端條件科學與工程領域來說，意義特殊，富具挑戰性。本項目將圍繞NSAF指南，深入開展金屬材料多相物態方程相關問題研究。包括：通過大規模第一性原理分子動力學模擬，並發展適用於極端條件的多相自由能理論模型，揭示金屬材料的高溫高壓相圖與多相物態方程；發展有限溫度DFT+DMFT計算方法，研究金屬鈰f電子的局域-離域混合特性對高溫高壓相圖和多相物態方程的關鍵影響；發展遺傳最佳化算法，計算金屬材料的多相自由能參數，研製具有自主智慧財產權的金屬材料多相物態方程原型軟體；理論與實驗研究金屬材料的高壓非平衡相變動力學過程，初步建立其微觀和巨觀理論模型，闡述衝擊載入下金屬材料的固-固相變形核與生長的動力學機制；開展典型金屬材料衝擊溫度及相變潛熱測量實驗研究，以此考核驗證金屬多相物態方程理論結果的可靠性和適用範圍。

結題摘要

金屬材料的多相物態方程是凝聚態物理、地球物理、天體物理等基礎研究領域關注的一個重要問題，同時在武器、核能工業、航空航天等套用領域也有重大需求。在高溫、高壓條件下，材料會發生固體-固體、固體-液體、液體-液體及液體-電漿相變等，認識這些相變過程及材料在極端條件下的物理性質需要人們深刻揭示原子、電子結構與環境的多物理耦合機制。本項目針對多種典型金屬材料的多相物態方程，圍繞極端高溫高壓條件下的電子結構關鍵問題，開展了一系列深入的理論建模和大規模數值模擬研究。項目取得了如下代表性研究成果：（1）發展了平面波近似與第一性原理Kohn-Sham方程自洽耦合的寬區密度泛函理論框架和數值軟體，基於該理論框架自洽建立起千萬攝氏度和千億大氣壓範圍內一系列核材料的第一性原理寬區狀態方程；（2）率先模擬獲得了金屬鈹的高溫聲子譜，並預測了鈹的相圖，給出了鈹的多相物態方程，通過全面計入了晶格振動的非諧效應，計算獲得的鈹的相圖與實驗測量吻合很好；（3）系統計算比較了δ鈽和Pu3Ga的電子結構和聲子譜，闡明了通過鎵摻雜來穩定δ-鈽的微觀機制；（4）發出了聲子譜反摺疊程式Phonon Unfolding，並在國際上首次作為該領域的開源程式發布。該程式適用性非常廣泛，能夠有效處理各種固-固及固-液相變問題；（5）發展了X射線湯普森散射譜（XRTS）的第一性原理理論技術，可以直接從第一性原理分子動力學出發來來獲得XRTS信號。國際同行評價該項研究成果：“這是一篇重要的論文，展示出一個強有力的新方法”；“在可見的未來時間裡，這是詮釋X射線湯普森散射譜的最好的分析方法”；（6）與國際同行合作發表了ICF聚變材料狀態方程研究綜述性科學論文，是當前和未來一段時間內ICF物理建模和內爆模擬的重要參考文獻。本項目發表了3篇PRL論文，研製了多套程式，提升了我國國防領域在金屬材料多相物態方程問題上的理論建模和數值模擬科學研究水平。