金屬鐵、鈷、鎳和鎳鋁合金熔化性質(zhì)的理論研究.pdf

1、高溫高壓下材料相變及熔化性質(zhì)研究是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一個(gè)基本課題，也是高壓科學(xué)研究的熱點(diǎn)。特別是對(duì)極端條件下材料熔化性質(zhì)研究能夠?yàn)槲覀兘沂疚镔|(zhì)在臨界狀態(tài)下的固、液結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，這對(duì)深入理解物質(zhì)熔化本質(zhì)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(zhì)的主要手段?；诮?jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬，本文詳細(xì)調(diào)查了Fe、Co、Ni和NiAl合金的熔化性質(zhì)，期望從中找到一些基本規(guī)律，為深入理解熔化本質(zhì)提供一些有益參考。此外，

2、本文在調(diào)查NiAl合金高壓熔化性質(zhì)基礎(chǔ)上，利用密度泛函第一性原理計(jì)算并結(jié)合準(zhǔn)諧德拜模型，詳細(xì)調(diào)查了NiAl合金高壓熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，期望能為實(shí)驗(yàn)研究其高壓物性提供理論參考。
　　采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬，本文首先研究了金屬鐵的高溫高壓熔化性質(zhì)。鐵是構(gòu)成地球固態(tài)內(nèi)核和液態(tài)外核的主要元素，其在極端條件下的熔化性質(zhì)可用來(lái)決定地球內(nèi)外核邊界的溫度，這對(duì)建構(gòu)地核的地球物理和地球化學(xué)模型至關(guān)重要。然而，鐵的熔化性質(zhì)一直存在爭(zhēng)議，在低壓，不同實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)存在的高壓，兩者熔化溫度差高達(dá)數(shù)千攝氏度。此外，現(xiàn)存的沖擊波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也存在著較大分歧。因此，調(diào)查高溫高壓下鐵的熔化性質(zhì)具有十分重要的科學(xué)意義。采用一相、二相和Z模擬，運(yùn)用嵌入原子勢(shì)模型(EAM)，我們?cè)敿?xì)調(diào)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(shí)驗(yàn)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(jì)算了金屬鐵的高壓熔化熵和固液界面能，為實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　金屬鈷和鎳是兩種重要的過(guò)渡金屬，它們?cè)诖呋I(yè)上有著重要應(yīng)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(duì)CO氧化反應(yīng)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(gòu)成地核的微量元素，在周期表中緊鄰著鐵，對(duì)其熔化性質(zhì)的研究有助于加深對(duì)鐵熔化性質(zhì)的理解。此外，在考慮微量元素的新的地核模型

5、中，對(duì)鈷和鎳熔化性質(zhì)研究有助于建構(gòu)新的地核溫度分布模型。在文中，我們采用兩個(gè)嵌入原子勢(shì)，研究了鈷的熔化曲線。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，Zhou等人的嵌入原子方法勢(shì)能夠給出一個(gè)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(shí)驗(yàn)熔化數(shù)據(jù)，這獲得的高壓熔化曲線可為實(shí)驗(yàn)研究提供有益參考。基于Zhou勢(shì)，我們調(diào)查了鈷的固液結(jié)構(gòu)、熔融熵和固液界面能，獲得了較好的結(jié)果。對(duì)鎳熔化性質(zhì)的研究，我們采用三個(gè)EAM勢(shì)和兩個(gè)模擬技術(shù)。我們發(fā)現(xiàn)Mende

6、lev等人的EAM勢(shì)能夠復(fù)制一個(gè)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(shí)驗(yàn)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此外，基于Mendelev勢(shì)，我們還研究了鎳的固液結(jié)構(gòu)、熔融熵和固液界面能，其在零壓下的物理性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)相一致。
　　NiAl合金是一種重要的功能材料，以其高熔點(diǎn)、低密度、高熱導(dǎo)和良好的抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用在航空航天和汽車工業(yè)上。不幸的是，至今還沒(méi)有其高壓熔化數(shù)據(jù)的報(bào)道。本文

7、基于Pun和Mishin開(kāi)發(fā)的EAM勢(shì)，詳細(xì)調(diào)查了NiAl合金的高壓熔化性質(zhì)。為了評(píng)估Pun和Mishin勢(shì)的可靠性，在計(jì)算熔化性質(zhì)之前，我們首先調(diào)查了NiAl合金的晶格常數(shù)和彈性性質(zhì)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好，證實(shí)Pun和Mishin勢(shì)是可靠的。依靠Pun和Mishin勢(shì)，我們分別采取了單相和兩相模擬，詳細(xì)調(diào)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(diǎn)與實(shí)驗(yàn)值相一致。鎳的熔化曲線與實(shí)驗(yàn)符合的較好，而鋁的熔化曲線與

8、實(shí)驗(yàn)存在較大分歧，這可能是由于勢(shì)的不足造成的。通過(guò)對(duì)Fe、Co、Ni及NiAl合金熔化性質(zhì)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(guò)熱;一相和Z方法是兩相方法有益的補(bǔ)充。
　　利用第一性原理，采用廣義梯度近似和準(zhǔn)諧德拜模型，我們計(jì)算了NiAl合金高溫高壓B2相的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，包括熱狀態(tài)方程、熱膨脹系數(shù)、熱熔和德拜溫度等。結(jié)果表明，熱狀態(tài)方程與靜壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，準(zhǔn)諧德拜模型在高壓能夠適用于高溫。
　　本文基于經(jīng)典分