共振价键波函数在高压液氢量子蒙卡模拟中的适用性研究

在共振价键理论基础上, 选取高压液氢电子主要占据轨道的线性组合作为基组, 构建由Jastrow项和反对称孪生函数乘积项 (AGP) 组成的波函数. 考虑电子关联作用的共振价键 (RVB) 波函数得出的能量值低于LDA能量值; 当满足r_s<1.75或T >15000 K时引入backflow项以改善波函数结点面, 改善后的能量值下降约1 mHa/atom, 能量方差值变小. 将构建的RVB波函数与电子-离子耦合的蒙特卡罗法 (CEIMC) 相结合, 计算结果与实验及其他ab-initio结果相符合, 获得的液氘单次冲击Hugoniot曲线基本通过所有加载类型实验误差棒, 液氘在50.3 GPa处具有最大压缩率4.48, 在100–120 GPa内未发现压缩率有急剧增大的现象. 构建的RVB 波函数能够适用于较宽密度与温度范围内(1.0< r_s<2.2, 2800 K< T<60000 K)液氢的模拟, 与CEIMC法相结合可提高液氢冲击特性的模拟精度. 关键词： 共振价键理论 波函数 量子蒙卡法 液氢     

强激光加载下高压液氘材料的电导率

液氘在高压下有丰富的电学光学性质。利用反射率和相对介电函数关系并从广义极化角度出发初步建立了计算低Z材料电导率的简易模型;在神光-Ⅱ装置上利用第九路激光冲击加载液氘材料并测量了其在强激光冲击下的高压状态参数和反射率。结合上述理论模型和实验,研究了高压下液氘的电离度和电导率。结果表明,液氘在约70 GPa时的电导率约为2.87105 (Wm)-1,已呈现出较为明显的金属电导特性。显然,冲击加载下液氘从绝缘分子态开始电离并向金属氘转变发生在更低的压强。     

液氘状态方程实验数据测量

在神光Ⅱ高功率激光装置上建立了液氘状态方程实验研究系统, 在80 min内实现控温范围12–300 K可调、控温精度±0.03 K、机械震动 ≤20 μm的实验控制精度; 通过镀膜窗口质量筛选和靶体清洁工作解决了低温下窗口材料残余反射率高的难题, 获得了信噪比较好的实验图像; 利用神光II第九路输出3ω (351 nm)、3 ns、1000 J的能力, 采用阻抗匹配方法, 配合任意反射面速度干涉仪诊断系统, 在国内首次获得液氘在约60 GPa压力下的冲击绝热线实验数据, 数据与国外同压力区间数据符合较好, 为下阶段约100 GPa压力范围液氘状态方程的实验研究奠定了基础.     

液氘Hugoniot曲线的理论计算

 用液体变分微扰理论加量子力学修正和指数6（EXP-6）相互作用势，计算了液氘的一次和二次冲击压力为0～80 GPa范围Hugoniot曲线。计算结果表明：冲击压力与实验符合较好。但冲击温度明显高于实验值，对其偏高的原因进行了探讨。     

高温高密度氩物态方程研究

用Exp-6有效两体势模型和液体变分微扰理论计算了液Ar冲击压缩曲线,在35 GPa以下的压力范围内计算的冲击压缩曲线与Thiel 及Nellis等人的实验数据进行了比较.液体分子间Exp-6有效两体势参数根据实验数据计算优选出最佳值,计算结果表明得到的优选参数较为准确地描述了液Ar分子间相互作用.由理论结合实验数据可以认为液氩体系在冲击压力36 GPa以下无相变现象.对较高冲击压力下理论计算的冲击曲线和实验结果之间的偏差作了分析,结合不透明度实验的结果,得到当压力超过35 GPa,温度在12 000 K     

33GPa压力以下液氩冲击温度的实验测量

 利用液氮冷靶系统制取液氩样品,以二级氢气炮作为加载工具,驱动飞片对液氩样品进行平面冲击压缩,实验测量了33 GPa冲击压力以下液氩的冲击温度。飞片速度由磁测速系统测量,冲击波速度和冲击温度用光纤耦合高温计系统测量,粒子速度采用阻抗匹配法计算得到。实验测得当冲击压力为33 GPa时,液氩的冲击温度超过10 000 K;而当冲击压力超过30 GPa时,冲击温度的上升趋势与理论计算相比明显变缓,该压力点正好与以前测得的冲击波速度-粒子速度曲线的拐点一致。     

冲击高压下硝基甲烷的拉曼光谱及其结构稳定性

在单次冲击压缩实验中,借助新建的瞬态拉曼光谱技术实现了对液态硝基甲烷冲击拉曼光谱的原位观测,来探究该样品分子在冲击波作用下的结构稳定性。实验发现,在10.6GPa的冲击加载下硝基甲烷的拉曼特征峰仅发生了蓝移和展宽,而在观测波段未发现化学变化产生的迹象。这一结果否定了文献所报道的硝基甲烷在6GPa~8.5GPa的单次冲击压力区间内发生了化学反应的推论,同时也证实了在10.6GPa的冲击压力下硝基甲烷分子在约为516ns的压缩时间内能够保持其结构的稳定。     

冲击高压下硝基甲烷的拉曼光谱及其结构稳定性

在单次冲击压缩实验中,借助新建的瞬态拉曼光谱技术实现了对液态硝基甲烷冲击拉曼光谱的原位观测,来探究该样品分子在冲击波作用下的结构稳定性.实验发现,在10.6 GPa的冲击加载下硝基甲烷的拉曼特征峰仅发生了蓝移和展宽,而在观测波段未发现化学变化产生的迹象.这一结果否定了文献所报道的硝基甲烷在6 GPa~8.5 GPa的单次冲击压力区间内发生了化学反应的推论,同时也证实了在10.6GPa的冲击压力下硝基甲烷分子在约为516 ns的压缩时间内能够保持其结构的稳定.     

绿柱石的原位高压X射线研究

 采用同步辐射光源和金刚石对顶砧（DAC）技术,对绿柱石进行了室温下的原位高压能散X射线衍射（EDXD）研究,实验的最高压力为19.2 GPa。在实验压力范围内,未观察到绿柱石发生相变,轴压缩率c大于a;在小于9.3 GPa的压力范围内,其体积压缩率符合二阶Murnaghan状态方程,而压力在9.3～19.2 GPa范围内时,其体积压缩率有所增加,且体积-压力关系近乎线性变化。     

无氧铜动态卸载行为的数值模拟

 分别利用Johnson-Cook（JC）本构模型和Steinberg-Cochran-Guinan（SCG）本构模型对无氧铜在10~20 GPa冲击压力下的卸载过程进行了数值模拟,与冲击-卸载实验结果比较表明,在这样的冲击压力下无氧铜的应变率效应仍然明显,JC模型对无氧铜的动态卸载行为有较好的描述。     

液氩多体作用势研究及其Hugoniot曲线的分子动力学模拟

应用Hartree－Fock方法,计算了氩体系的多体相互作用.对Parson等提出的MSVⅢ势进行了 多体修正,并将修正后的MSVⅢ势用于液氩物态方程的分子动力学模拟.计算表明,修正后 的MSVⅢ势能较好地反映液氩在所研究压力范围的情况,计算的Hugoniot曲线与实验结果在 冲击压力高达40?GPa密度区的符合程度得到改善.     

冲击加载下铝的剪切模量

分别用Steinberg-Cochran-Guinan (SCG)模型、修正的SCG模型和有限应变理论对材料的剪切模量做了数值计算，并与一维平面应变加载下铝的实验结果进行了比较.结果表明，修正的SCG模型与实验结果较为符合.在10—80GPa的压力范围下，剪切模量随冲击压力的增加而逐渐增大，这是由于压力的影响占主要地位，发生了加工硬化.在80—125GPa的压力范围下，剪切模量随冲击压力的增大快速减小，这是因为温度的影响比较严重，发生了高温软化现象.剪切模量最终在冲击压力为125GPa处趋于零，这是由于在该压力点冲击熔化发生，剪切强度消失. 关键词： 剪切模量 Steinberg-Cochran-Guinan模型 有限应变理论 铝     

冲击加载下NaCl单晶高压声速与温度的同步测量

基于二级轻气炮和多通道辐射高温计,测量了45~85GPa压力范围内NaCl单晶的B2相区、B2-液相混合相区和液相区的高压声速和温度。通过高压声速数据,确定了NaCl单晶的冲击熔化压力区间为58~67GPa。当压力为67GPa时,NaCl单晶的冲击熔化温度为3 740K。计算了NaCl单晶的等熵体模量、Grüneisen系数和定容比热容,对比分析了多种模型对Grüneisen系数高压演化特性的描述。结果显示,根据吴强模型计算的Grüneisen系数不但在液相区与冲击压缩实验结果吻合得非常好,而且在低压区也与金刚石压砧实验结果及有限应变计算结果吻合得非常好。     

碳水混合物相互作用势及混合法则的实验研究和理论探索

 利用二级轻气炮加载技术研究了碳水混合物的冲击压缩特性。研究发现：冲击压力p低于19.0 GPa时,石墨与水混合物冲击压缩特性明显不同于金刚石与水混合物的冲击压缩特性;p大于23 GPa后,它们的特性十分接近;当p为52.9 GPa时,石墨与水混合物表现出反常的冲击压缩特性,压力增加而体积出现膨胀,这与高压下碳与水发生化学反应产生气体相关。还对碳水混合物的相互作用势及混合法则的选取进行了讨论。     

自动校准的多相状态方程建模方法及其在锡中的应用

状态方程与描述能量、动量、质量守恒的偏微分方程一起，构成了可求解材料动态压缩行为的完备流体力学方程组。动态压缩下，相变会导致材料内能、密度、强度等物理性质的不连续变化，需要构建多相状态方程模型才能精确描述这些变化。通过多相状态方程模型的自动组装，采用计算机智能优化算法自动校准状态方程模型参数，发展了自动化的多相状态方程建模程序AEOS(automated equation of state)。利用AEOS，构建了锡的3套状态方程模型，3套模型的计算结果与相关实验结果基本一致，验证了AEOS程序的适用性。将构建的状态方程模型应用于一维流体力学模拟，发现锡冲击到17 GPa再等熵卸载到常压的压力-温度路径会经过β相-体心四方相-液相三相点，并且可以很好地解释在15.4 GPa的冲击压力下锡的微喷颗粒呈现固-液混合态的实验现象。AEOS的良好表现证明其在大型数字化科研平台以及高通量材料物性计算中将具有广泛的应用前景。     

Bi在固液混合相区的冲击参数测量及声速软化特性

冲击相变与熔化作为材料特性的一项重要研究内容,对于多相物态方程构建具有重要意义.本文利用追赶稀疏原理和阻滞法,基于火炮加载技术获得了17.3—28.3 GPa范围内纯铋(Bi)的高精度声速数据和Hugoniot参数,分析了声速软化规律,得到固-液混合相区Bi材料声速随压力的近似线性递减关系C=3.682-0.015p,并进一步确定Bi的冲击熔化压力区间为18—27.4 GPa.同时,Bi/Li F界面速度剖面的预期平台段在固液混合相区表现出渐进爬升的异常特征,分析认为,该现象与Bi材料的非均匀熔化动力学行为及冲击熔化完成时间尺度较长有关.     

<100> LiF的低压冲击响应和1550 nm波长下的窗口速度修正

利用平板撞击和激光干涉测试技术对<100> LiF在40 GPa内的冲击力学和光学特性进行了精密实验测量和理论分析. 获得了该压力范围内LiF的冲击雨贡纽关系和1550 nm波长下的窗口速度修正, 为相关加窗激光干涉测速实验的数据分析提供了直接依据. LiF在20.3 GPa内均表现出弹性-塑性双波特性, 预计其单波响应冲击压力下限约为22—23 GPa; 低于此压力时, 以LiF为窗口的精密剖面测量实验需考虑其强度影响.     

氘的气液界面及相变特性分子动力学仿真

氘作为重要的核聚变原料,其热物性数据是基础,而气液相界面特性和相变规律又是热物性的关键.国内外对氘的相界面特性研究甚少.本文基于分子动力学方法,采用截断移位Lennard-Jones 12-6势能函数模型描述原子间的相互作用,并考虑分子内部原子间键的谐振作用,对氘的气液界面特性及气液固相变过程进行了仿真研究,得到了氘在不同温度下气液界面过渡区域的厚度、表面张力值等;获得了氘的密度随相变过程的变化规律,并由此得出氘的熔沸点温度,上述计算结果与实验及文献值吻合良好.不仅从微观层面上揭示了氘的宏观热物性表征机理,而且所建立的仿真模型可直接用于预测缺乏实验工况下的氘热物性.     

镁铝合金的冲击熔化行为实验研究

采用反向碰撞实验技术,结合具有高时空分辨率的全光纤激光干涉测速技术,对镁铝合金开展了极端动态压缩条件下的动力学行为实验研究,获得了镁铝合金在30～73 GPa压力范围内的Hugoniot和声速实验数据。深入的数据分析表明,所获得的Hugoniot数据与早期的Hugoniot数据一致,但是纵波声速却呈现出明显的向体波声速转变的趋势,对应冲击加载下镁铝合金的固-液熔化相变,相变压力区间为40～57 GPa。     

碳水混合物冲击压缩特性研究

 利用二级轻气炮加载技术研究了碳水混合物的冲击压缩特性。研究发现：冲击压力p低于19.0 GPa时，石墨与水混合物冲击压缩特性明显不同于金刚石与水混合物的冲击压缩；p大于23.0 GPa后，它们的特性十分接近，这说明有较多的石墨转变为金刚石；当p为52.9 GPa时石墨与水混合物的冲击压缩特性出现明显偏离，这和高压下碳水混合物产生气体成份有关。