钨的高压相变及剪应力对其影响机制研究

钨及其合金具有高熔点、高强度、高密度等特性，是高温高压极端条件下使用的首选材料之一。因此，与它们这些特性紧密联系的钨高压相变及相关影响机制研究具有重要意义。本项目采用动高压实验与理论计算相结合的方法，研究钨的高压相变过程及剪应力对其影响机制。首先，通过动态高压加载下声速的高精度测量，确定钨在冲击熔化前是否发生固-固相变及对应的压强区间；然后，观察经过冲击加载并卸载到常压后样品的相结构，与第一性原理计算吉布斯自由能给出的相变信息分析比对，确定钨的相变过程和可能存在的高压相的结构特征；最后，利用非平衡分子动力学，模拟研究剪应力场对钨相变过程中原子层间的滑移、位错演变的影响规律，构建高温高压下钨的相变次序和不同相间的相变通道，确定剪应力对钨高压相变的影响机制。通过本项目的研究，对钨及其合金在高温高压极端条件下的特性研究和合理利用提供依据，也对工程材料宏观性质的理解和预测起到促进作用。

钨等过渡金属具有熔点高、硬度大、化学性质稳定等特点，在高压实验研究领域常常被用作标准材料，以对其它待测材料的性质进行标定；但近年对其高压固相稳定性问题的研究存在较大争议，由此导致其相图无法确定，直接影响着其在高温高压下的性质研究与合理利用。本项目采用新的动高压实验技术和理论计算方法，对钨及于其研究有较大参考意义的过渡金属和相关材料高温高压下的固相稳定性、性质展开研究，得到一系列新的认识：（1）通过冲击压缩下声速的精确测量和基于遗传算法、从头算密度泛函的晶体结构搜索，得到钼在冲击熔化前不发生固-固相变的结论，并由此凝炼出一套研究高温高压下材料固相稳定性的系统方法；（2）对钨进行了数轮声速测量实验，得到多个压力点的声速数据，目前正对其进行补充完善；（3）利用密度泛函理论对钨在高温高压下的固相稳定性、弹性和热力学性质进行计算和预测，在常压下性质与实验结果符合较好的基础上，对高压下的性质进行了预估；（4）采用晶体结构搜索技术，对钽进行结构搜索发现一个新的固相Pnma，其声速与文献[J. Appl. Phys. 111, 033511 (2012)]的声速测量结果一致，它可能是钽冲击相变后的高压相；（5）拓展上述研究方法的应用领域至工程材料BeO，对其高温高压下的固相稳定性、弹性和热力学性质进行了预测。通过这些认识，为后续相关研究提供参考方法，为这些材料的深入研究和合理利用提供了理论依据。