MgSiO3钙钛矿高温高压特性的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法,计算了MgSiO3钙钛矿在零温和0 ~ 150 GPa静水压范围内的晶体结构和弹性模量,并利用准简谐近似Debye模型,拟合三阶Birch-Murnaghan物态方程得到了其高温高压下的热力学性质。通过与现有的理论和实验的结果数据比较,确认在0 ~ 2000 K的温度区间内,第一性原理计算结合Debye模型能够较可靠地模拟在下地幔压力范围内MgSiO3钙钛矿的热力学性质。     

高压下钙钛矿结构MgSiO3的分子动力学研究

利用分子动力学方法,研究了高温高压下钙钛矿结构MgSiO3的状态方程.研究表明,分子动力学模拟结果很好地再现了广泛温度和压强范围内钙钛矿结构MgSiO3的摩尔体积.温度300 K压强上升到120 GPa模拟的钙钛矿结构MgSiO3状态方程和有效的实验结果基本一致.在更高温度和更高压强下模拟的钙钛矿结构MgSiO3状态方程和他人的计算值吻合的很好.另外,还分别计算了温度300 K,900 K,1500 K和2500 K压强上升到120 GPa时MgSiO3的体积压缩率.     

液态结构与性质关系Ⅱ——Mg-9Al熔体的运动黏度及与熔体微观结构的关系

采用坩埚扭摆振动法测量Mg-9Al熔体的运动黏度,得到890—1190 K温区内高精度的黏度-温度关系曲线ν(T),发现升温过程中黏度随温度升高发生异常变化,当温度升高至1000—1075 K时,黏度由快速增大转变为逐渐减小,即发生转折变化;在随后的降温和第二次升温过程中,黏度随温度变化呈指数规律单调递增(减),符合Arrhenius方程式.在实验研究基础上,采用剩余键结构模型和"平均原子集团"演变行为的计算模型讨论Mg-9Al熔体的黏度与微观结构之间的相关性,结果表明:类关键词： 合金熔体 结构与黏度相关性 剩余键结构 平均原子集团模型     

钝感高能炸药三氨基三硝基苯高温高压下热力学性质的分子动力学模拟研究

热力学性质是钝感高能炸药1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6-三硝基苯(TATB)爆轰性质和安全性评估分析的重要参数. 由于结构的复杂性, TATB炸药尚缺乏系统的实验和理论计算结果. 结合全原子力场和分子动力学的方法, 本文系统研究了不同温度和压力条件下TATB的力学性质和热力学参数, 得到了弹性模量、德拜温度等随温度、压力的变化情况, 并与实验进行了对比分析. 结果表明: 在 0-50 GPa外部压力下, TATB晶体保持力学稳定, 弹性常数和弹性模量随压力升高而增大, 各向异性程度随压力升高而减小, 泊松比和延展性则受压力的影响较小; 随温度的升高, TATB的力学稳定性逐渐下降, 有发生力学失稳的可能, 各弹性常数随温度升高而逐渐减小, 各向异性程度也随之减小; TATB 的声速和德拜温度同样随着压力升高而增大, 平均声速从0 GPa下的1833 m/s, 增加到10 GPa 下的3143 m/s, 德拜温度由0 GPa下的254 K增加到10 GPa的587 K. TATB 热膨胀系数的计算表明, 在200-500 K 温度常压情况下, 其体热膨胀系数为35.9×10^-5 K^-1, 与实验数据符合较好.     

下地幔条件下钙钛矿结构MgSiO3熔化行为的研究

利用分子动力学方法结合有效的对势,模拟了下地幔条件下钙钛矿结构MgSiO3的熔化曲线．研究表明,分子动力学模拟结果精确地再现了广泛压强范围内钙钛矿结构MgSiO3的状态方程,并且熔化曲线与最新的实验结果也符合的很好．在压强上升到下地幔压强范围内,压强低于60 GPa时的钙钛矿结构MgSiO3熔化曲线比较陡,接着变得平缓．在核幔边界压强135 GPa时,钙钛矿结构MgSiO3的熔化温度是6500 K,明显低于Zerr和Boehler实验结果的外推结果．     

压力高达27GPa下天然奥长石的XRD分析（英文）

在室温高达27GPa压力下对天然奥长石(Na_(0.86)K_(0.02)Ca_(0.12)Mg_(0.01)(Fe_(0.01)Al_(1.12)Si_(2.87)O_8))粉晶进行了原位同步辐射X光衍射(XRD)测量,获得了样品的状态方程。实验数据表明随着压力增大奥长石样品在大约3.5GPa发生了三斜向单斜的相变(P1→C2)和在大约10.0GPa发生了单斜对称相变(C2→C2/m)。样品三个相的体模量计算值分别为K_0=73.8GPa(K′=10.98),K_((C2))=124GPa(K′=1.05)和K_((C2/m))=272GPa(K′=0.625)。样品的元素组成影响其T—O—T键角的刚度、M—O键的强度和Si—O—Al键角的弯曲,从而导致奥长石样品在高压行为的特殊变化。三斜相的奥长石晶胞压缩性具明显的各向异性。实验结果表明在冷俯冲带奥长石可能是碱金属和碱土金属深循环的载体。     

CeO2热力学性质的第一原理研究

使用第一性原理方法结合准谐德拜模型研究压力0~30 GPa,温度0~2 000 K,二氧化铈立方结构的热力学性质,包括常压下平衡体积V、体弹模量B₀、热容c_p和熵S随温度的变化以及不同压强下热容c_p、熵S、德拜温度Θ,体膨胀系数α与温度的关系.常压下计算的热容c_p和熵S随温度的变化与实验数据符合很好.     

压力对La_(0.3)Bi_(0.2)Ca_(0.5)MnO_3中晶格畸变的影响

利用同步辐射X射线衍射技术 ,对La0 .3Bi0 .2 Ca0 .5MnO3 中存在的Jahn Teller畸变进行了原位的高压研究。实验表明 ,外加压力能有效地影响到晶格中Mn—O键长和Mn—O—Mn键角的变化。当压力为 1.8GPa时 ,在晶格中存在的两种不同畸变模式之间的相互作用下 ,导致了位于a b基面上的Q2 畸变模式的消失     

熔体初始温度对液态金属Ni凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究

采用量子 Sutton-Chen多体势, 对熔体初始温度热历史条件对液态金属Ni快速凝固过程中微观结构演变的影响进行了分子动力学模拟研究. 采用双体分布函数g(r)曲线、键型指数法、原子团类型指数法和三维可视化等分析方法对凝固过程中微观结构的演变进行了分析. 结果表明: 熔体初始温度对凝固微结构有显著影响, 但在液态和过冷态时的影响并不明显, 只有在结晶转变温度T_c附近才开始充分显现出来. 体系在1×10¹² K/s的冷速下, 最终均形成以1421和1422键型或面心立方(12 0 0 0 12 0)与六角密集(12 0 0 0 6 6) 基本原子团为主的晶态结构. 末态时, 不同初始温度体系中的主要键型和团簇的数目有很大的变化范围, 且与熔体初始温度的高低呈非线性变化关系. 然而, 体系能量随初始温度呈线性变化关系, 初始温度越高, 末态能量越低, 其晶化程度越高. 通过三维可视化分析进一步发现, 在初始温度较高的体系中, 同类团簇结构的原子出现明显的分层聚集现象, 随着初始温度的下降, 这种分层现象将被弥散开去. 可视化分析将更有助于对凝固过程中微观结构演变进行更为深入的研究. 关键词： 液态金属Ni 熔体初始温度 微观结构 分子动力学模拟     

非晶SiO_xN_y薄膜的红外吸收光谱研究

通过改变O和N含量研究了SiOxNy 薄膜中从 6 0 0到 16 0 0cm- 1 范围内的红外吸收谱特征。结果表明 ,起源于单一Si—O、Si—N键的吸收峰在 110 5和 86 5cm- 1 处 ;而随着薄膜中O或N含量的升高 ,位于单一键吸收峰的两侧出现因O—Si—O、N—Si—N的对称和反对称键吸收的左右肩 ;对O—Si—N ,其特征吸收峰位于 10 36和 85 6cm- 1 处。     

1.0～4.4GPa下奥长石拉曼光谱特征的变化

常温、1.0～4.4GPa下,利用激光拉曼光谱研究了奥长石晶体结构随压力的变化。发现,压力为2.9GPa时,517cm-1附近出现新的谱峰,奥长石开始相变。3.4GPa时,源于奥长石结构中M—O伸缩振动的288cm-1拉曼谱峰频移发生突变,517cm-1附近谱峰消失,奥长石由三斜晶系完全相变为单斜晶系(P1-I1)。随压力增加,归属于奥长石四面体结构中Si—O—Si弯曲振动的458及516cm-1谱峰随压力增加有规律地向高频方向偏移,斜率分别是1.667cm-1/GPa和3.560cm-1/GPa,而源于Al—O—Al弯曲振动的480cm-1谱峰与压力没有明显的线性变化关系。卸压过程中,288cm-1拉曼谱峰频移保持不变,458,480及516cm-1谱峰向低频偏移。长石类矿物的相变压力与结构中八元环所含阳离子种类有关。     

金属银熔体快冷过程的计算机模拟

利用分子动力学模拟技术研究了由周期性边界条件控制的500个银(Ag)原子构成的金属Ag熔体快速冷凝过程.冷却速率为8×1013K/s.模拟在FS(Finnis-Sinclair)相互作用势的基础上,通过双体分布函数、键对分析技术、键取向序等多种方法,对液银快速冷凝过程的微观结构转变特性作了分析,给出了连续快速冷凝过程中液银原子间依靠相互作用力形成的独特的微观结构图像.并考察了冷却过程中体系能量和元胞体积随温度的变化.模拟结果表明在快速冷凝过程中液Ag没有形成bcc结构的倾向.     

PbFe_(12)O_(19)在高压下的结构行为（英文）

用原位角散X射线衍射实验装置研究了PbFe12O19在55.3GPa压力以下的结构行为。通过拟合29.2GPa以下的晶格参数随压力的变化得到线性压缩率Ba0=997(38)GPa,Bc0=556(22)GPa和体弹模量B0=254(8)GPa。线性压缩率的各向异性可归因于PbFe12O19的层状堆垛结构,其较大的体弹模量可归因于致密的原子排列和较低的c/2a比。另外,在42.7GPa以上常压结构演变为另一种结构,卸压至32.3GPa以下时恢复到原来结构。     

氟化镁高压萤石结构稳定性及热物性的数值模拟

氟化镁(Mg F2)是工业用途广泛的重要碱土金属氟化物,也是矿物质氟镁石的主要成分,相比于电子结构和光学特性的研究,人们从地球物理学的角度给予Mg F2高压热物性的研究明显不够,而组成地球下地幔矿物的高压熔化、热膨胀等热物性预测对理解地球的结构、动力学、演化及起源至关重要.本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过热力学、动力学、力学稳定性计算表明萤石结构为Mg F2高压结构,根据等焓原理,分别结合广义梯度近似和局域密度近似确定出了零温下Mg F2晶体从稳定金红石结构到高压萤石结构的相转变压力为19.26 GPa和18.15 GPa,且萤石结构至少稳定到135 GPa (相当于下地幔压力);利用基于有效势参数模型的经典分子动力学方法,通过模拟特定压力下Mg F2体系的摩尔体积、总能随温度的变化确认了Mg F2萤石结构在300—6000 K温度范围内的高温稳定性.在此基础上,考虑选用能够提高密堆固体平衡特性的交换相关泛函形式的广义梯度近似方法且结合准谐德拜模型,以及利用根据从头算HartreeFock方法获得的数据拟合得到的可靠经验势参数结合经典分子动力学方法,共同预测了萤石结构的Mg F2在300—1500 K和0—135 GPa的温度和压力范围内的体积热膨胀系数、等温体模量、热弹性参数等重要热力学参量.研究表明:Mg F2萤石结构基于体积热膨胀系数和等温体模量得到的热弹性参数并非物态方程研究中通常假定的常数,但在高温高压条件下,其值接近于常数.     

下地幔温压条件下碳对(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石的影响

利用激光加温金刚石对顶砧技术模拟下地幔温压条件(36～88 GPa, 1 850～2 800 K),探索了碳与含铁的(Mg,Fe)SiO_3布里奇曼石的相互作用过程。同步辐射X射线衍射实验表明,(Mg,Fe)SiO_3布里奇曼石与碳在大于42 GPa、2 000 K的温压条件下发生了氧化还原反应,即(Mg,Fe)SiO_3布里奇曼石中的二价铁(Fe~(2+))被单质碳还原成金属铁(Fe~0);而在较低的温压条件下,布里奇曼石中的Fe~(2+)可以稳定存在。该结果表明,在下地幔深部的温压条件下,CCO缓冲的氧逸度值比IW缓冲更低,热力学计算结果也证实了这一结果。实验结果为地幔深部氧化还原条件的不均一性和局部极端还原状态的出现提供了解释。     

液态结构与性质关系Ⅰ——Mg熔体的运动黏度及与熔体微观结构的关系

采用坩埚扭摆振动法测量Mg熔体的运动黏度,得到935—1190 K温度区间高精度的黏度-温度关系曲线v(T),发现升温和降温过程中Mg熔体的黏度随温度变化呈指数规律单调递增(减),没有发生异常变化和滞后现象.同时,利用液态结构中原子集团演变行为的物理模型,计算得出该温度区间Mg熔体的主要结构信息参数——原子集团尺寸-温度关系曲线d(T);通过对实验和计算数据的综合分析,发现Mg熔体的运动黏度和原子集团尺寸均为温度的单值函数,且二者之间存在线性的函数关 关键词： 金属熔体 结构与黏度相关性 原子集团演变 线性关系     

顽火辉石的高温高压同步辐射研究

 采用同步辐射能量色散X射线衍射技术、激光加热技术和金刚石对顶砧（DAC）高压装置,在温度为2 000 K和压力为23 GPa的范围内,对采自地幔二辉橄榄岩中的顽火斜方辉石,进行了原位的高温高压能量色散X射线衍射（EDXRD）测量。实验结果表明：当压力为15.3 GPa、温度为1 600 K时（相当于地球内部410 km处的地震波不连续界面的温压环境）,顽火斜方辉石转变为橄榄石的β相——瓦兹利石（Wadsleyite）相;继续加温加压至2 000 K、23 GPa时（相当于地球内部670 km处的地震波不连续界面的温压环境）,顽火斜方辉石相变为钛铁矿（Ilmenite）结构和钙钛矿（Perovskite）结构的混和相。实验结果进一步证明,在地幔中存在的两个地震波不连续界面是由橄榄石、顽火斜方辉石等矿物的相变引起的。     

在硅酸盐矿物,玻璃和熔体中Si和Al的配位与局部结构:K-边X射线吸收光谱研究

本文采用同步辐射的Si K-边X-射线吸收近边结构(XANES)谱研究了Si在SiO2-P2O5和Na2O-SiO2-P2O5的低压磷硅酸盐玻璃中结构与配位,以及Si的配位几何随玻璃中P2O5含量而变化:同步辐射的Al K-边XANES谱研究了Al在铝硅酸盐成分为NaAlSi2O6-NaAlSi3O8的玻璃和熔体中的配位和局部结构,并提供了直接的实验证据来证明该成分的玻璃体系中由于压力的变化所诱导Al配位的变化.     

熔体初始温度对液态金属Na凝固过程中微观结构影响的模拟研究

采用分子动力学方法对熔体初始温度热历史条件对液态金属Na凝固过程中微观结构的影响，进行了模拟研究，并采用双体分布函数g(r)曲线、键型指数法和原子团类型指数法对凝固过程中的微观结构进行了分析.结果表明：液态金属Na在不同熔体初始温度条件下以1×10¹¹K/s冷速凝固时，均形成晶化结构，其中1661和1441键型或体心立方基本原子团(14 6 0 8)在凝固过程中对微观结构的转变起决定性作用.同时发现：熔体初始温度对凝固微结构有显著影响，而对液态和过冷态的微观结构影响并不明显，只有在晶化起始温度T_c附近才充分地展现出来.不同熔体初始温度对凝固结构的晶化程度有不同的影响，虽其影响程度是随着熔体初始温度的下降呈非线性变化关系的，但仍表明是可以通过改变熔体初始温度来加以控制的.原子团类型指数法(比键型指数法)更进一步表征了晶化体系中原子团的结构特征，将有利于对液态金属凝固过程中微观结构的转变机理进行更为深入的研究.     

金属铍热力学性质的理论研究

使用第一性原理方法结合平均场模型研究了压力从0到150GPa、温度从0到1500K，金属铍六角密排结构(hcp)的热力学性质，包括铍的常态性质，等温高压物态方程，以及常压下平衡体积、体弹模量随温度的变化，Hugoniot曲线等.0K物态方程由广义梯度近似下的密度泛函理论计算，粒子热运动的贡献由平均场模型计算.由于铍的Debye温度比较高，计算自由能时考虑了零点振动能修正.计算结果与已有的静力学和冲击波实验数据符合得非常好. 关键词： 热力学性质 物态方程 第一原理计算