500GPa压力范围内多晶钽的压缩特性的高精确度作用势研究

Tantalum metal is an important pressure calibration material and one of the most typical materials in compression science research. Early reports on the compression characteristics of tantalum showed that, great inconsistencies exist between experimental data and theoretical results. The main reason is that the simulated samples can not accurately reflect the complex micro-structure information contained in the experimental samples (such as dislocations, voids, grain boundaries, etc.), resulting in theoretical simulation and experiment can not be directly related Starting from analyzing the existing interatomic potential of tantalum and taking the discrepancies between the experimental samples and simulated samples into account, we will aim to make molecular dynamics simulations to deeply analyze the advantages and disadvantages as well as the application scopes of these potentials in order to establish the high precision interaction potential for polycrystalline tantalum, which can precisely reproduce the compression characteristics of polycrystalline tantalum in the pressure range of 0-500 GPa. During fitting the potential parameters, we consider not only the real information associated with experimental samples (including dislocations, voids, grain boundaries and so on), but also the experimental pressure-volume relationship, and thus overcome the defects of early potential functions reflecting only the perfect crystal and ignoring the influence of experimental environments. Finally, we will investigate the compression characteristics of polycrystalline tantalum at the mesoscale level under both hydrostatic pressure and shock loadings by employing molecular dynamics methods combined with the new potentials. This project not only lays the foundation for further investigating the high-pressure physical properties of tantalum and its alloys, but also provides important theoretical references for establishing mesoscale theory in the field of in compression science.

金属钽是压缩科学研究中重要的压标材料和最典型的金属材料之一。早期人们对钽的压缩特性的研究发现实验数据和模拟结果之间存在较大的偏差，其主要原因是模拟样品不能如实反映实验样品包含的复杂的微结构信息（如位错、孔洞、晶界等），致使理论与实验不能直接关联。本项目拟从国际上已建立的钽相互作用势及实验样品与模拟样品之间的差异入手，通过分子动力学方法，对这些势的优缺点和适用范围进行深入的分析，以期建立精确描述500 GPa压力范围内多晶钽压缩特性的高精确度作用势。在势参数拟合过程中，既要考虑位错、孔洞和晶界等与实验相关的真实信息，又要考虑实测的压强与体积关系，因而克服了早期的势函数仅反映完美晶体以及没有考虑环境影响的缺陷。最后，利用分子动力学方法结合新建立的势模拟具有介观尺度的多晶钽在静态压缩和冲击加载下的压缩特性，为深入研究钽及其合金的高压物性奠定基础，亦为压缩科学建立可靠的介观理论提供重要的理论参考。

金属钽是压缩科学研究中重要的压标材料和最典型的金属材料之一。早期研究发现，钽的压缩特性的实验数据和模拟结果之间存在较大的偏差，主要原因是模拟样品不能如实反映实验样品包含的复杂的微结构信息（如位错、孔洞、晶界等）。本项目通过分子动力学方法结合已有的钽的势相互作用势函数，研究了钽在静态压缩和冲击加载下的压缩特性。.1) 在充分调研金属钽的已有的势函数的基础上，采用分子动力学方法，首先对比计算了500 GPa压力范围内5种不同势函数（EAM1，EAM2，EFS, EAM和MEAM势）得到的钽的压缩特性和力学性质。结果发现：对力学性质，这5种势函数都能得到很好的结果；对压缩特性，尤其是相变关系，除了Ravelo 等人提出的势函数EAM2外，其他势函数效果均不佳。对比一相模拟、两相模拟、Z方法和改进的Z方法，结果发现，改进的Z方法则可以得到较好的结果。.2) 采用分子动力学模拟方法，结合前期选定的势函数，我们通过在初始模拟体系中引入不同浓度的空位，分析了空位对熔化温度的影响。通过对比含不同空位浓度模拟体系的体积-温度曲线，清晰地了解升温过程中体系中空位的演变情况，我们追踪了不同体系中的空位数随着温度的变化情况，发现低温下空位数变化不大；随着温度的升高，伴随着空位和原子的热运动，熔化前体系会出现空位聚集和固态无序化现象。.3) 构建了直径在4-18 nm的钽纳米颗粒，采用一相模拟的分子动力学方法，研究了其自由表面对熔化和凝固过程的影响。结果发现，利用所选取的势函数EAM2计算得到的纳米颗粒熔化温度与粒子数关系很好地满足线性关系；对于凝固温度，线性关系不是很好。通过纳米颗粒外推得到的块体材料的过热熔化温度和过冷凝固温度进行几何平均，可以近似得到等效的熔化温度2702 K，这一温度和模拟得到的块体材料熔化温度2789 K基本一致。.本项目通过对钽的压缩特性及其原子间相互作用势进行研究，为深入研究钽及其合金的高压物性奠定基础，亦为在压缩科学中建立可靠的介观理论提供重要的理论参考。