微结构对过渡金属钽高压熔化曲线影响机制的理论研究

Tantalum (Ta) metal is not only a pressure calibration material in condensed matter physics, but also an important material in military applications. Early reports showed that, great inconsistencies exist in melting curves between the shock wave (SW) and diamond anvil cell (DAC) experiments. How to explain such inconsistencies, and obtain a more reasonable melting curve are always important and difficult questions in high pressure research. In this item, we are aim to apply ab-initio molecular dynamics simulations, including both static and shock compressions to compare the producing, evolvement process, competing mechanism of different microstructures (such as vacancies, dislocations, grain boundaries and so on) in the sample during melting. Thus we can explore the different mechanism of the two high pressure and high temperature techniques. By presetting these microstructures into the initial samples, we further explore the premelting phenomenon at the defects as well as the dynamic behaviors of these defects, analyze their influence mechanism to the melting curve, and obtain the high pressure melting curves of Ta with microstructures. This project not only reveals the reasons for the inconsistencies in melting curves of Ta between the SW and DAC experiments, but also establishes foundations for further investigating the high-pressure melting curve of other transition metals.

金属钽不仅是凝聚态物理研究中的标准材料，更是重要的军事应用材料，但早期研究发现其动高压和静高压实验得到的熔化曲线间存在着无法解释的巨大差异。如何解释这种差异，如何得到一条更加合理的高压熔化曲线一直是高压科学科研中的一个重点也是难点。本项目拟采用从头算分子动力学模拟方法，对比分析静态压缩和动态压缩下样品熔化过程中各种微结构（如空位、位错、晶界等）的产生、演变过程和竞争机制，探索这两种高温高压技术其作用机制的差异，进而在初始模拟样品中预置这些不同的微结构，探索缺陷处的预熔化现象和缺陷的动力学行为，分析各种缺陷对熔化曲线的影响机制，得到包含这些不同微结构的钽的高压熔化曲线，揭示其动高压和静高压熔化曲线巨大差异的原因，为深入研究其他过渡金属的高压熔化曲线奠定基础。

金属钽不仅是凝聚态物理研究中的标准材料，更是重要的军事应用材料，但早期研究发现其动高压和静高压实验得到的熔化曲线间存在着无法解释的巨大差异。如何解释这种差异，如何得到一条更加合理的高压熔化曲线一直是高压科学科研中的一个重点也是难点。此外，真实晶体往往含有大量的微结构信息，如空位、晶界、位错等，而理论计算往往考虑的是完美晶体，这也直接导致了理论计算和实验结果间的差异。本项目采用分子动力学模拟方法，分析了静态压缩下样品熔化过程中的微结构的产生、演变过程等，重点就熔化过程中的缺陷原子和空位进行了详细的分析。同时，综合动态压缩样品中产生的微结构信息，在初始模拟样品中预置了不同的微结构，包括空位、自由界面和晶界，分析了这些不同的缺陷对熔化曲线的影响机制，得到包含这些不同微结构的钽的熔化数据。结果发现，在初始模型中引入不同浓度的空位后，过热效应依然存在，但稍微有所减小，且空位浓度与熔化温度之间没有明显的规律。含有自由表面的样品由于表面原子较活跃，熔点低于块体材料，且熔化温度与样品粒子数N的负三分之一次方成线性关系。初始样品引入晶界后，熔化温度大大降低，尤其是在高压下，且晶粒尺寸对熔化温度也有影响。