Bridgman對頂砧的加壓性能及快壓制備高密度納米硒塊體材料的研究.pdf

1、高壓物理學(xué)是研究物質(zhì)在高壓下的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)特性，以及高壓下物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、狀態(tài)方程及相變等的學(xué)科。由于高壓研究可以發(fā)現(xiàn)常壓下物質(zhì)所不具備的新結(jié)構(gòu)、新性能、新現(xiàn)象及新規(guī)律，因此，它為新材料合成、制備及改性提供了重要的實驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)。本論文共分為三個部分，第一部分為對Bridgman壓砧加壓性能的研究，屬于高壓技術(shù)研究；第二部分為快速增壓法制備高密度納米硒塊體材料；第三部分為快速增壓制備不同結(jié)構(gòu)比例的大塊非晶硫的探索，第二和第

2、三部分屬于高壓下新材料的制備。分別摘要如下：
　　 (1)Bridgman對頂砧加壓性能的研究
　　 在本實驗室過去使用的端面直徑為26mm的Bridgman對頂砧高壓模具的基礎(chǔ)上，進一步研究了直徑為20mm的對頂砧模具的性能。并使用新的高壓模具對葉臘石封墊的力學(xué)行為進行了一系列研究。通過改變施加壓力研究了葉蠟石的剪切強度及彈性模量隨壓力的變化規(guī)律等力學(xué)行為，證實了封墊材料的彈性模量隨壓力增大而增大；得到了塑性區(qū)剪切強度

3、隨壓力的變化規(guī)律(即在塑性區(qū)封墊材料的剪切強度隨壓力的增大而增大，且增大的趨勢逐漸減小)。另外，將實驗結(jié)果和理論分析相結(jié)合，證實了圓片的彈性區(qū)存在不可忽略的剪切強度，并進一步證明了圓片的中部存在一個準靜水壓區(qū)，為高壓實驗中樣品腔尺寸的選擇提供了更為科學(xué)的依據(jù)。這些實驗結(jié)果完善了高壓下圓片封墊內(nèi)壓力實際分布的模型。
　　 利用Bi絲已知的壓致相變點對Bridgman壓砧的壓力進行了標(biāo)定，結(jié)合上述測量結(jié)果的推算，得出了Bridgma

4、n式壓砧中心實際壓力隨油壓的升高而升高得更快的特性，這種特征不同于多壓砧裝臀和年輪式模具。
　　 利用這套新的對頂砧高壓模具配合快速增壓壓機測量了常溫下絕熱壓縮過程中，硒的溫度隨壓力的變化，從而為進一步測量硒的格林愛森參數(shù)和吳經(jīng)參數(shù)打下基礎(chǔ)，并為快速增壓法制備納米硒過冷度的估算提供了參考依據(jù)。
　　 (2)快速增壓方法制備高密度納米硒多晶塊體材料
　　 納米材料作為新型功能材料或結(jié)構(gòu)材料的研究備受關(guān)注。制備納米塊

5、體材料的方法已有多種，但與高壓相關(guān)的并不多。我們考慮到在熱力學(xué)上壓力和溫度的對等關(guān)系，提出對熔融液體快速改變壓力導(dǎo)致凝固應(yīng)與快速改變溫度一樣可以獲得亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的塊體材料，同時因在這種過程中溫度均勻，分子的凝聚行為將不受熱傳導(dǎo)率的限制，有利于一次性獲得大塊納米晶體材料。本研究共設(shè)計了四組對比實驗：(a)熔融硒快速增壓到2.8GPa；(b)熔融硒快速增壓到3.5GPa；(c)熔融硒慢速增壓到2.8GPa；(d)熔融硒在常壓下自然冷卻。對四組

6、實驗所回收的固態(tài)硒分別進行SEM、TEM、XRD分析，發(fā)現(xiàn)(a)和(b)回收的樣品均為納米塊體材料，平均晶粒尺寸分別為18.73nm和19.04nm，(a)回收樣品的相對密度高達98.17％。其它兩種實驗獲得的則是微米級多晶體。說明快速增壓方法能夠使熔體大量成核的同時又有效地抑制晶粒的生長，從而一次性獲得均質(zhì)的納米晶體硒。這是首次通過快速增壓法成功地制備出納米多晶塊體材料。獲得的納米晶硒塊體材料的最大直徑為16mm，厚度為3.2mm。研

7、究結(jié)果顯示，快速增壓法是一種有效制備大塊納米晶材料的新途徑。本文還對其形成機理進行了分析。
　　 (3)快速增壓法制備不同結(jié)構(gòu)比例的大塊非晶硫的探索
　　 從Mishima發(fā)現(xiàn)冰有兩種不同的非晶態(tài)以來，同種物質(zhì)是否存在不同非晶相成為凝聚態(tài)物理中一個新的熱點問題。相關(guān)研究結(jié)果啟示我們：能否利用快速加壓的方法使不同溫度的熔體快速凝固，在不同的過冷度下“凍結(jié)”成不同的高壓相，從而制備出不同結(jié)構(gòu)的非晶相。前人報道熔融硫在432K