CrB_2的高温高压合成与物性研究

采用高温高压手段,以单质硼粉和铬粉为原料,在压力为6GPa、温度为1 200℃的条件下成功制备出CrB2化合物。利用X射线衍射仪、X射线能谱仪、硬度检测仪和扫描电子显微镜,对合成产物进行了物性表征。结果表明:合成的CrB2固体为六方结构,空间群为P6/mmm,晶格常数a=0.297nm,b=0.307nm;合成样品的晶粒直径为5~40μm,结晶质量良好。硬度测试结果显示,高温高压合成的CrB2具有很高的硬度。对比实验条件和实验结果发现,温度和原料配比均影响CrB2的合成,提高原料中硼的比例有助于目标产物CrB2的形成。     

高温高压下β相硼的电导率测量

 硼在高压下具有复杂的结构和多样的物理性质,对其结构和性质的深入研究具有很重要的意义,一直引起理论和实验研究领域的关注。高压下进行电学性质测量是获得物质物理性质的有效手段,利用集成在金刚石对顶砧上的微电路,在高压下和两个不同温度范围内对β相硼进行了电导率测量,分析了导电机制随压力的变化规律。在0～28.1 GPa范围内,β相硼的电导率随着压力的增大是逐渐增大的,卸压后样品的电导率不能回到最初的状态,是一个不可逆的变化过程;由室温到423 K的范围内,β硼的电导率随着温度的不断增加有明显的上升趋势,并且随着压力的升高,电导率变化逐渐加快。此外,对样品在14.5 GPa和18.6 GPa压力下,用溅射到金刚石对顶砧上的氧化铝薄膜做绝热层,对样品进行了激光加热实验,最高温度达到2 224 K,电导率随着温度的上升而增大,结果显示,β相硼的电学特征仍然属于半导体的特征范围内。     

烧结压力对碳化钽陶瓷维氏硬度的影响

为了探究烧结压力对不同晶粒尺寸碳化钽(TaC)力学性能的影响,通过高温高压技术对纳米、微米尺寸TaC粉末进行高温高压烧结,制备不同烧结条件下的块状TaC陶瓷。利用X射线衍射等表征方法对烧结样品的物相、元素分布、压痕形态进行表征,结果表明:TaC在烧结过程中物相稳定,且无杂质渗入。利用维氏硬度计对不同烧结压力(3.0、4.0和5.5 GPa)条件下的3种陶瓷样品进行维氏硬度测试,并进行微观结构分析,结果表明:随着烧结压力由3.0 GPa提升到5.5 GPa,微米尺寸TaC的维氏硬度(21.0 GPa)优于3.0、4.0 GPa下的纳米尺寸TaC维氏硬度(17.5、19.2 GPa)。此外,研究发现,测试维氏硬度时,3.0 kg应用载荷对测试TaC维氏硬度更加精确。研究结果对结构陶瓷烧结和超高温陶瓷硬度研究具有指导意义。     

富硼稀土硼化物NdB6的高温高压合成

 提出了一种在高温高压极端条件下合成富硼稀土硼化物NdB₆的新方法，即以稀土氧化物Nd₂O₃为钕源与单质硼反应的方法获得了稀土六硼化物NdB₆。并对合成产物进行了粉末X射线衍射分析。结果表明在配比为Nd：B＝1：6时，压力为4.0 GPa、温度为1 600 ℃、反应时间为15 min的条件下，获得了单相性非常好的NdB₆。高温高压合成NdB₆方法具有反应条件易达到、合成时间短、反应产物单相性好等优点。其XRD结果表明该合成产物为立方结构，晶格常数为a＝0.417 nm。     

高温高压下氮化镓陶瓷体的制备

 在高温高压条件下，实验成功实现了氮化镓的烧结。首次将氨压应用到陶瓷体的烧结中，解决了GaN的分解、原料中残余的氧化物等问题，提高了烧结体的结晶度。研究了在氨压条件下温度对烧结致密度的影响。     

二硼化钛陶瓷的声学性能

用超声相比较方法测量了TiB₂陶瓷样品不同方向的声速,以此计算了样品的弹性模量,并与别的作者的结果进行了比较,讨论了引起各种结果差异的原因。     

高温高压下掺硼宝石级金刚石单晶生长特性的研究

本文在5.1—5.6 GPa,1230—1600℃的压力、温度条件下,以FeNiMnCo作为触媒,进行单质硼添加宝石级金刚石单晶的生长研究.借助于有限元法,对触媒内的温度场进行模拟.研究得到了FeNiMnCo-C-B体系下,金刚石单晶生长的P-T相图.该体系下合成金刚石单晶的最低压力、温度条件分别为5.1 GPa,1230℃左右.研究发现,在单晶同一{111}扇区内部,硼元素呈内多外少的分布规律.有限元模拟结果给出,该分布规律是由在晶体生长过程中,{111}扇区的增长速度逐渐减小所致.{111}晶向的晶体生长实验结果表明,硼元素优先从{111}次扇区进入晶体.研究发现,这是该扇区增长速度相对较快,硼元素扩散逃离可用时间短导致的.另外,同磨料级掺硼金刚石单晶生长相比,对于温度梯度法生长掺硼宝石级金刚石单晶,由于晶体的增厚速度较慢,即使硼添加量相对较高,也可以实现表面无凹坑缺陷的优质金刚石单晶的生长.     

高导热金刚石/铝复合材料的高温高压制备

以纯铝为基体,使用体积分数为50%的200μm镀钛金刚石为填充材料,利用高温高压粉末冶金法在压力3 GPa、温度700℃条件下烧结10 min得到热导率为529 W/(m·K)的高导热金刚石/铝复合材料。通过光学显微镜和X射线衍射对镀钛金刚石的形貌和物性进行表征,并利用激光导热仪、扫描电镜和热膨胀仪对制备的金刚石/铝复合材料进行性能测试。研究发现,使用放电等离子体烧结制备的镀钛金刚石镀层成分主要是单质钛,并伴有少量碳化钛生成。通过对比在相同制备条件下没有经过镀覆处理的金刚石发现,使用镀钛金刚石能够有效提高金刚石/铝复合材料的热导率。同时,高温高压法能够制备全密度的金刚石/铝复合材料,有效提高铝基体与金刚石的界面结合,减少界面空隙,进而有效提高复合材料的热导率。相比真空热压、放电等离子体烧结、气压熔渗等常规方式,高温高压粉末冶金制备方式具有样品制备周期短(数分钟)的特点。此项研究有助于拓宽高导热复合材料的制备方式,同时能够扩大国内六面顶压机的产品种类,为其他金属基体导热复合材料的制备提供技术支持。     

硼氢协同掺杂Ib型金刚石大单晶的高温高压合成与电学性能研究

在压力6.0 GPa和温度1600 K条件下, 利用温度梯度法研究了(111)晶面硼氢协同掺杂Ib型金刚石的合成. 傅里叶红外光谱测试表明: 氢以sp³杂化的形式存在于所合成的金刚石中, 其对应的红外特征吸收峰位分别位于2850 cm^-1和2920 cm^-1处. 此外, 霍尔效应测试结果表明: 所合成的硼氢协同掺杂金刚石具有p型半导体材料特性. 相对于硼掺杂金刚石而言, 由于氢的引入导致硼氢协同掺杂金刚石电导率显著提高. 为了揭示硼氢协同掺杂金刚石电导率提高的原因, 对不同体系进行了第一性原理理论计算, 计算结果表明其与实验结果符合. 该研究对金刚石在半导体领域的应用有重要的现实意义.     

PbTe的高温高压合成

 以高温高压为手段，在4～5GPa压力和700～1 200 K温度条件下，成功地合成出了PbTe。对合成样品进行了X射线测试分析，结果表明，合成的PbTe样品是具有NaCl结构的多晶，而PbTe的取向随着合成压力的升高发生变化。扫描电镜分析结果显示：高压合成的PbTe样品，其晶粒有了明显的取向；电阻率比常压样品低1～2个数量级，并随合成压力的升高而降低；热导率也同时低于常压合成的PbTe样品。以上结果说明，高压合成方法是改善材料性能的重要手段。     

Hardness of materials at high temperature and high pressure

The intrinsic character of the correlation between hardness and thermodynamic properties of solids has been established. The proposed thermodynamic model of hardness allows one to easily estimate hardness and bulk moduli of known or even hypothetical solids from the data on Gibbs energy of atomization of the elements or on the enthalpy at the melting point. The correctness of this approach is illustrated by an example of the recently synthesized superhard diamond-like BC₅ and orthorhombic modification of boron, γ-B₂₈. The pressure and/or temperature dependences of hardness were calculated for a number of hard and superhard phases, i.e. diamond, cBN, B₆O, B₄C, SiC, Al₂O₃, β-B₂O₃ and β-rh boron. Excellent agreement between experimental and calculated values is observed for temperature dependences of Vickers and Knoop hardness. In addition, the model predicts that some materials can become harder than diamond at pressures in the megabar range.     

Fe2+取代对MgSiO3钙钛矿高温高压物性的影响

(Mg, Fe)SiO₃钙钛矿是下地幔中最主要的候选矿物成分之一, 关于其高温高压特性的研究对于深层地幔状态的理解和地震波变化规律的探索具有重要意义. 应用第一性原理计算了MgSiO₃和(Mg_0.75, Fe_0.25)SiO₃在0–140 GPa静水压范围内的晶体结构和弹性模量, 并由Voigt-Reuss-Hill方程计算了地震波速随压力的变化, 利用准简谐近似下的Debye模型模拟了高温效应, 分析了Fe²⁺取代Mg²⁺后镁铁钙钛矿弹性和热学性质的变化, 推断Fe²⁺取代行为软化了MgSiO₃等含镁的地球深部矿物的地震波速. 为解释地幔中某些区域的地震波速软化现象提供了一个有力的理论依据. 关键词： 钙钛矿 铁 高压 波速     

基于拉曼频移的白宝石压腔无压标系统高温高压实验标定

在高压实验科学中, 各类宝石压腔是最为常见的高压设备之一, 其样品腔中压力的精确标定是实验的关键. 目前, 人们主要通过加入红宝石等压标物质来进行定压, 但压标物质的加入会增加实验的装样难度, 改变样品腔中的物理化学环境, 甚至直接与实验样品发生反应, 从而对实验结果产生影响. 在0–6.3 GPa和300–573 K下, 利用共聚焦拉曼显微镜, 根据白宝石压砧砧面的ν₁₂ 拉曼频移与温度和压力的变化关系, 建立了一套适用于高温高压水热体系的无压标白宝石压腔系统. 实验结果表明: 白宝石砧面的ν₁₂ 峰随着压力的升高发生线性蓝移, 而随着温度升高则发生线性红移, 且温度和压力对拉曼频移的影响存在耦合效应. 利用本实验结果, 可在高温高压下根据白宝石砧面的拉曼频移计算出样品腔的压力P=(Δλ-0.01913×ΔT)/(1.9158-0.00105×ΔT), 在物理学、材料学和地球科学等领域具有重要应用.     

First-principles calculations of thermodynamic properties of TiB2 at high pressure

The equations of state (EOS) and other thermodynamic properties of TiB₂ are investigated using ab initio plane-wave pseudopotential density functional theory method. The obtained results are in good agreement with the experimental measured data and other theoretical calculated ones. Through the quasi-harmonic Debye model, in which the phononic effects are considered, the dependences of relative volume V/V₀ on pressure P, cell volume V on temperature T, and Debye temperature Θ and specific heat C_V on pressure P are successfully obtained.     

硼硫协同掺杂金刚石的高压合成与电学性能研究

FeNiMnCo-C体系中,在压力6.5 GPa、温度1280—1300℃的极端物理条件下,采用温度梯度法成功合成了硼(B)、硫(S)协同掺杂金刚石大单晶.通过傅里叶红外光谱测试对高温高压所制备金刚石中的杂质进行了表征.借助霍尔效应对典型金刚石样品的电输运性能进行了测试,测试结果表明:硼硫协同掺杂有利于提高p型金刚石的电导率,而且硼硫在合成体系中的添加比例可以决定金刚石的p, n特性.此外,第一性原理计算结果表明,合成体系中不同比例的硼硫协同掺杂对金刚石的p, n特性以及电导率有着直接的影响,计算结果与实验测试结果相吻合.     

Theoretical study on UH4, UH8 and UH10 at high pressure

Stable structures of uranium hydrides at 0–550 GPa were studied using genetic algorithm (GA) combined with density functional theory calculations. We investigated two stoichiometries of U–H system, UH₄ and UH₁₀ at high pressure, and properties of UH₄, UH₈ and UH₁₀. The study found that UH₈ is the most stable phase at 100–550 GPa, UH₄ is a stable phase at 100–550 GPa, and UH₁₀ could become stable over 450 GPa. For UH₁₀, the most phase is $Fm\stackrel{￣}{3}m$, which was found to be a superconductor with the transition temperature $T_c=51,21,12,10$ and 15 K at 100, 200, 300, 400 and 550 GPa, respectively.     

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。     

Behaviors of Zn_2GeO_4 under high pressure and high temperature

The structural stability of Zn_2GeO_4 was investigated by in-situ synchrotron radiation angle dispersive x-ray diffraction. The pressure-induced amorphization is observed up to 10 GPa at room temperature. The high-pressure and hightemperature sintering experiments and the Raman spectrum measurement firstly were performed to suggest that the amorphization is caused by insufficient thermal energy and tilting Zn–O–Ge and Ge–O–Ge bond angles with increasing pressure,respectively. The calculated bulk modulus of Zn_2GeO_4 is 117.8 GPa from the pressure-volume data. In general, insights into the mechanical behavior and structure evolution of Zn_2GeO_4 will shed light on the micro-mechanism of the materials variation under high pressure and high temperature.     

MgSiO_3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MgSiO_3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MgSiO_3钙钛矿的热力学性质.     

Isothermal bulk modulus and its first pressure derivative of NaCl at high pressure and high temperature

The isothermal bulk modulus and its first pressure derivative of NaCl are investigated using the classical molecular dynamics method and the quasi-harmonic Debye model.To ensure faithful molecular dynamics simulations,two types of potentials,the shell-model(SM) potential and the two-body rigid-ion Born-Mayer-Huggins-Fumi-Tosi(BMHFT) potential,are fully tested.Compared with the SM potential based simulation,the molecular dynamics simulation with the BMHFT potential is very successful in reproducing accurately the measured bulk modulus of NaCl.Particular attention is paid to the prediction of the isothermal bulk modulus and its first pressure derivative using the reliable potential and to the comparison of the SM and the BMHFT potentials based molecular dynamics simulations with the quasi-harmonic Debye model.The properties of NaCl in the pressure range of 0-30 GPa at temperatures up to the melting temperature of 1050 K are investigated.