500GPa壓力範圍內多晶鉭的壓縮特性的高精確度作用勢研究

《500GPa壓力範圍內多晶鉭的壓縮特性的高精確度作用勢研究》是依託四川大學，由陳向榮擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：500GPa壓力範圍內多晶鉭的壓縮特性的高精確度作用勢研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：陳向榮
• 依託單位：四川大學

項目摘要

金屬鉭是壓縮科學研究中重要的壓標材料和最典型的金屬材料之一。早期人們對鉭的壓縮特性的研究發現實驗數據和模擬結果之間存在較大的偏差，其主要原因是模擬樣品不能如實反映實驗樣品包含的複雜的微結構信息（如位錯、孔洞、晶界等），致使理論與實驗不能直接關聯。本項目擬從國際上已建立的鉭相互作用勢及實驗樣品與模擬樣品之間的差異入手，通過分子動力學方法，對這些勢的優缺點和適用範圍進行深入的分析，以期建立精確描述500 GPa壓力範圍內多晶鉭壓縮特性的高精確度作用勢。在勢參數擬合過程中，既要考慮位錯、孔洞和晶界等與實驗相關的真實信息，又要考慮實測的壓強與體積關係，因而克服了早期的勢函式僅反映完美晶體以及沒有考慮環境影響的缺陷。最後，利用分子動力學方法結合新建立的勢模擬具有介觀尺度的多晶鉭在靜態壓縮和衝擊載入下的壓縮特性，為深入研究鉭及其合金的高壓物性奠定基礎，亦為壓縮科學建立可靠的介觀理論提供重要的理論參考。

結題摘要

金屬鉭是壓縮科學研究中重要的壓標材料和最典型的金屬材料之一。早期研究發現，鉭的壓縮特性的實驗數據和模擬結果之間存在較大的偏差，主要原因是模擬樣品不能如實反映實驗樣品包含的複雜的微結構信息（如位錯、孔洞、晶界等）。本項目通過分子動力學方法結合已有的鉭的勢相互作用勢函式，研究了鉭在靜態壓縮和衝擊載入下的壓縮特性。 1、在充分調研金屬鉭的已有的勢函式的基礎上，採用分子動力學方法，首先對比計算了500 GPa壓力範圍內5種不同勢函式（EAM1，EAM2，EFS, EAM和MEAM勢）得到的鉭的壓縮特性和力學性質。結果發現：對力學性質，這5種勢函式都能得到很好的結果；對壓縮特性，尤其是相變關係，除了Ravelo 等人提出的勢函式EAM2外，其他勢函式效果均不佳。對比一相模擬、兩相模擬、Z方法和改進的Z方法，結果發現，改進的Z方法則可以得到較好的結果。 2、採用分子動力學模擬方法，結合前期選定的勢函式，我們通過在初始模擬體系中引入不同濃度的空位，分析了空位對熔化溫度的影響。通過對比含不同空位濃度模擬體系的體積-溫度曲線，清晰地了解升溫過程中體系中空位的演變情況，我們追蹤了不同體系中的空位數隨著溫度的變化情況，發現低溫下空位數變化不大；隨著溫度的升高，伴隨著空位和原子的熱運動，熔化前體系會出現空位聚集和固態無序化現象。 3、 構建了直徑在4-18 nm的鉭納米顆粒，採用一相模擬的分子動力學方法，研究了其自由表面對熔化和凝固過程的影響。結果發現，利用所選取的勢函式EAM2計算得到的納米顆粒熔化溫度與粒子數關係很好地滿足線性關係；對於凝固溫度，線性關係不是很好。通過納米顆粒外推得到的塊體材料的過熱熔化溫度和過冷凝固溫度進行幾何平均，可以近似得到等效的熔化溫度2702 K，這一溫度和模擬得到的塊體材料熔化溫度2789 K基本一致。 本項目通過對鉭的壓縮特性及其原子間相互作用勢進行研究，為深入研究鉭及其合金的高壓物性奠定基礎，亦為在壓縮科學中建立可靠的介觀理論提供重要的理論參考。