冲击加载下Fe-S和Fe-Si体系的高温高压物性研究
发布时间：2021-04-10 14:01
对于外地核中S和Si含量的限定,有效的方法是通过高温高压实验原位测量经地球物理和地球化学模型筛选后的地核候选物质,其在液态下的密度和声速,并与外地核的密度和声速进行比较。然而,对静高压技术而言,在高温和高压同时存在的环境下原位测量液态材料的密度和声速仍是一个巨大的挑战,因此这方面相关的报道很少。在课题组之前的研究基础上,我们利用动高压实验技术,对外地核候选物质Fe-11.8 wt.%S和Fe-8.6 wt.%Si在高压下的熔化行为、液态状态方程、液态声速进行了系统研究。利用热力学模型计算了Fe-S和Fe-Si体系在外地核环境下的密度和声速,并结合地球化学研究结果,估算了地核中S和Si的含量,为Fe-S-Si三元体系的实验研究提供了重要的参考。本文主要研究内容和创新结果如下:一、针对在反向碰撞技术中,仅从界面粒子速度随时间变化的图像上,难以判断出材料弹-塑性转变时间这一问题,提出了微分处理方法,即通过粒子速度对时间的导数准确判定材料发生弹性卸载、弹-塑性卸载转变点以及塑性卸载的时间,提高了纵波声速、体波声速和横波声速的测量精度。二、通过对Fe-11.8 wt.%S组分的动高压实验所获得的...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
PREM中地核密度、声速、温度曲线剖面图[2]
7O、C、H(图1.2)。下面将对这些轻元素的研究现状分别论述。图1.2不同轻元素研究的文献量与时间的变化趋势，其中对于S和Si研究兴趣上升尤为明显，此图引自文献[9]1.4.1硅元素(Si)硅元素被认为是地核中最有可能存在的候选轻元素，主要原因是它在常压环境下在Fe中的溶解度很高，能够形成连续固溶体[22]。Wade等人[23]和Wood等人[24]利用静高压实验对Si在金属-硅酸盐的分配系数进行了研究并结合早期地球吸积模型，认为原始地球形成初期的环境呈现还原性，Si在这一时期可能进入到液态外核中。高温高压下Fe-Si体系状态方程的研究支持Si是地核中的主要候选轻元素。例如2002年，Lin等人[25]发现铁硅合金在84GPa，2400K的范围内先后呈现体心立方(bcc)和六角密堆积(hcp)结构，建议地球内核含4wt.%Si。随后，Lin等人[26]又在室温高压条件下测定了不同Si含量Fe-Si体系的密度，根据实验数据计算了在外地核温度压力环境下Fe-Si体系的密度，发现外地核中如果Si的含量为8-10wt.%，内地核为4wt.%，则其密度与PREM模型相匹配。Asanuma等人[27]在242GPa压力，3600K温度范围内对Fe-3.4wt.%Si结构进行了研究，认为在内地核压力温度环境下Fe-Si体系为hcp结构。Lin等人[28]和Kuwayama等人[29]分别在高温高压下对Fe-7.9wt.%Si和Fe-9.9wt.%Si的结构进行了研究，他们认为除了hcp结构，Fe-Si体系还呈现B2结构(体心立方结构，中间原子为Si，其余原子为Fe)。在2015年Tateno等人[30]利用DAC技术对高
15加热方法只适用较高温度环境。DAC实验中进行光的散射、衍射、吸收以及电学性质、磁性的测量。在高压下可以原位测量晶体结构、弹性系数、体模量、能带结构变化、晶格振动等众多物理量。虽然在应用DAC装置实验时可以达到非常高的压强，但是样品的尺寸非常小，给实验时装置的组装带来困难。图2.1DAC装置图2.2.2大腔体实验装置大腔体静高压实验装置包括对顶砧压机、活塞-圆筒压机、多面顶压机等。在本次研究中，样品的烧结采用的是CS-IV-D型国产六面顶压机，压机装置如图2.2所示。六面顶高压装置的主要特点是六个顶砧同时均匀施压，对装置中心的六面体传压介质进行挤压，传压介质材料为叶蜡石。样品被封装在传压介质的中心位置，在受挤压的同时，还可通过样品外层的包裹管(一般为石墨管)与上下面顶锤导通电流，实现对内部样品加热。实验合成使用的压机缸径420mm，顶锤锤面边长27mm，叶腊石合成块边长37.5mm，六面顶压机液压系统稳定，压力加载速度快[89]。应用大腔体压机时，一级顶砧加压可达到5GPa，二级顶砧可达到25GPa(碳化钨压砧)和60GPa(聚晶金刚石压砧)，该装置优点是样品尺寸较大，不足之处是可测量物理量较少。
【参考文献】：
期刊论文
[1]When water meets iron at Earth’s core-mantle boundary[J]. Ho-Kwang Mao,Qingyang Hu,Liuxiang Yang,Jin Liu,Duck Young Kim,Yue Meng,Li Zhang,Vitali B.Prakapenka,Wenge Yang,Wendy L.Mao. National Science Review. 2017(06)
[2]高压下Fe92.5O2.2S5.3的熔化温度[J]. 冯磊,黄海军,冷春蔚,杨刚. 高压物理学报. 2017(06)
[3]金属添加对高压烧结聚晶立方氮化硼的影响[J]. 谢宏亮,胡晓军,张迎新,成诺,冷春蔚,黎明发. 武汉理工大学学报. 2014(05)
[4]利用VISAR测量LY12铝在冲击压缩下的声速[J]. 俞宇颖,谭华,胡建波,戴诚达,马云,陈大年. 高压物理学报. 2006(02)
博士论文
[1]外地核候选物质的动高压实验研究[D]. 胡晓军.武汉理工大学 2012
[2]高压下铁的熔化曲线及外地核候选组分的约束性研究[D]. 黄海军.中国工程物理研究院 2005
硕士论文
[1]高温高压下硫元素对纯铁声速的影响[D]. 武仕杰.武汉理工大学 2013
[2]Fe-S体系的状态方程研究[D]. 谢增康.武汉理工大学 2012
本文编号：3129766
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
PREM中地核密度、声速、温度曲线剖面图[2]
7O、C、H(图1.2)。下面将对这些轻元素的研究现状分别论述。图1.2不同轻元素研究的文献量与时间的变化趋势，其中对于S和Si研究兴趣上升尤为明显，此图引自文献[9]1.4.1硅元素(Si)硅元素被认为是地核中最有可能存在的候选轻元素，主要原因是它在常压环境下在Fe中的溶解度很高，能够形成连续固溶体[22]。Wade等人[23]和Wood等人[24]利用静高压实验对Si在金属-硅酸盐的分配系数进行了研究并结合早期地球吸积模型，认为原始地球形成初期的环境呈现还原性，Si在这一时期可能进入到液态外核中。高温高压下Fe-Si体系状态方程的研究支持Si是地核中的主要候选轻元素。例如2002年，Lin等人[25]发现铁硅合金在84GPa，2400K的范围内先后呈现体心立方(bcc)和六角密堆积(hcp)结构，建议地球内核含4wt.%Si。随后，Lin等人[26]又在室温高压条件下测定了不同Si含量Fe-Si体系的密度，根据实验数据计算了在外地核温度压力环境下Fe-Si体系的密度，发现外地核中如果Si的含量为8-10wt.%，内地核为4wt.%，则其密度与PREM模型相匹配。Asanuma等人[27]在242GPa压力，3600K温度范围内对Fe-3.4wt.%Si结构进行了研究，认为在内地核压力温度环境下Fe-Si体系为hcp结构。Lin等人[28]和Kuwayama等人[29]分别在高温高压下对Fe-7.9wt.%Si和Fe-9.9wt.%Si的结构进行了研究，他们认为除了hcp结构，Fe-Si体系还呈现B2结构(体心立方结构，中间原子为Si，其余原子为Fe)。在2015年Tateno等人[30]利用DAC技术对高
15加热方法只适用较高温度环境。DAC实验中进行光的散射、衍射、吸收以及电学性质、磁性的测量。在高压下可以原位测量晶体结构、弹性系数、体模量、能带结构变化、晶格振动等众多物理量。虽然在应用DAC装置实验时可以达到非常高的压强，但是样品的尺寸非常小，给实验时装置的组装带来困难。图2.1DAC装置图2.2.2大腔体实验装置大腔体静高压实验装置包括对顶砧压机、活塞-圆筒压机、多面顶压机等。在本次研究中，样品的烧结采用的是CS-IV-D型国产六面顶压机，压机装置如图2.2所示。六面顶高压装置的主要特点是六个顶砧同时均匀施压，对装置中心的六面体传压介质进行挤压，传压介质材料为叶蜡石。样品被封装在传压介质的中心位置，在受挤压的同时，还可通过样品外层的包裹管(一般为石墨管)与上下面顶锤导通电流，实现对内部样品加热。实验合成使用的压机缸径420mm，顶锤锤面边长27mm，叶腊石合成块边长37.5mm，六面顶压机液压系统稳定，压力加载速度快[89]。应用大腔体压机时，一级顶砧加压可达到5GPa，二级顶砧可达到25GPa(碳化钨压砧)和60GPa(聚晶金刚石压砧)，该装置优点是样品尺寸较大，不足之处是可测量物理量较少。
【参考文献】：
期刊论文
[1]When water meets iron at Earth’s core-mantle boundary[J]. Ho-Kwang Mao,Qingyang Hu,Liuxiang Yang,Jin Liu,Duck Young Kim,Yue Meng,Li Zhang,Vitali B.Prakapenka,Wenge Yang,Wendy L.Mao. National Science Review. 2017(06)
[2]高压下Fe92.5O2.2S5.3的熔化温度[J]. 冯磊,黄海军,冷春蔚,杨刚. 高压物理学报. 2017(06)
[3]金属添加对高压烧结聚晶立方氮化硼的影响[J]. 谢宏亮,胡晓军,张迎新,成诺,冷春蔚,黎明发. 武汉理工大学学报. 2014(05)
[4]利用VISAR测量LY12铝在冲击压缩下的声速[J]. 俞宇颖,谭华,胡建波,戴诚达,马云,陈大年. 高压物理学报. 2006(02)
博士论文
[1]外地核候选物质的动高压实验研究[D]. 胡晓军.武汉理工大学 2012
[2]高压下铁的熔化曲线及外地核候选组分的约束性研究[D]. 黄海军.中国工程物理研究院 2005
硕士论文
[1]高温高压下硫元素对纯铁声速的影响[D]. 武仕杰.武汉理工大学 2013
[2]Fe-S体系的状态方程研究[D]. 谢增康.武汉理工大学 2012
本文编号：3129766
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