宽广温度压力下过渡金属状态方程的研究

摘要

物态方程从出现至今已有几百年的历史，理论和实验手段都已较为成熟，从十七世纪英国化学家波意尔和法国物理学家马略特分别提出理想气体的物态方程，到上世纪提出关于固体的镶嵌原子模型，自然界中的气态，液态，固态物质，大都已经建立了较为完备的物态方程形式。但是随着科学的发展，工程技术的要求不断提高，原先在实验条件下都无法达到的极端条件，变为了许多材料的工作环境。而在极端条件下，物质的物态变化与在较低压强温度下表现出来的变化方式有很大差异，物质材料在高压下会呈现一些平时所看不到的性质，而现今许多已经建立的物态方程考虑的温度压强范围已经不能满足实际工程技术与科学研究的要求，建立宽广温度压强范围内准确合理的物态方程描述物质的物态变化行为是十分必要的。
　　 目前对金属材料来说最成功的势能模型是镶嵌原子模型(EAM)，在该模型基础上人们提出了许多种形式的物态方程来描述凝聚态物质的物态变化行为，较为流行，也是在较宽广温度压强范围内比较符合实验数据的方程有这样几种，Birch-Murnaghan展开、Rydberg展开和普适性的Morse表达式。这些方程都各有其优缺点，但最重要的不足之处在于，这些状态方程包括最近Qin等人提出的方程，要么不能给出物理上合理的结合能数据，要么误差都比较大。即当令这些方程给出正确的结合能时，压缩曲线的误差就变得非常大，即结合能数据与压缩数据不能兼顾。特别是对过渡金属固体，误差非常大。在本论文中，我们提出一种改进的解析方程来克服以前状态方程中存在的这一问题。在新方程中，我们将结合能作为一个参数，其它参数通过拟合实验压缩数据定出。将新方程应用于十种典型材料，得到了很好的结果。我们还提出一种考虑高温下非简谐效应的新方法，推广了文献的爱因斯坦模型，建立了一种较全面地考虑冷能、量子效应、非简谐振动、电子的热运动贡献的联合模型。我们将新方程拟合所得结果与一些过渡金属元素的实验结果进行比对，探讨了我们方程对于金属钼的应用，在较为宽广温度压强范围内对过渡金属钼的物态方程和热物理性质得到了较好的结果。
　　 本论文的引言部分概括了本文的选题依据、研究意义和国内外发展动态。
　　 第二章主要概述了物态方程的基本概念、发展简史、典型应用及目前研究物态方程的常用方法。
　　 第三章在全面地考虑冷能、量子效应、非简谐振动、电子的热运动贡献，同时在对实验数据进行分析的基础上，提出了一种提出一种改进的解析方程。
　　 第四章是对新方程的理论分析。在第五章中将这一新的计算方法应用于对金属钼的研究当中并将理论计算结果和实验数据进行验证、分析和讨论，结果可以发现改进后的方程比以前的好。最后对本文进行了总结。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1物态方程概述

1.2固体物态变化特征

1.3研究意义

1.4热力学及统计学基础知识

第二章对几种较为通用固体物态方程的分析

2.1概述

2.2 Birch-Murnaghan展开

2.3 Rydberg展开以及Rose方程与Vinet方程

2.4普适性的Morse表达式

第三章新物态方程的提出

3.1文献中最新通用方程的介绍

3.2新物态方程的提出

第四章考虑热效应的联合模型

4.1文献中考虑热效应的半经验方法

4.2文献中俄罗斯学者考虑热效应的分解求和方法

4.3用修正的爱因斯坦模型考虑简谐振动的贡献

4.4 Naumann考虑电子热运动的方法

4.5我们推广的考虑非简谐振动的方法

4.6总结

第五章联合模型对金属钼的应用

5.1对于金属钼模型参数的确定

5.2对金属钼压缩数据的拟合、预测及与实验数据的比较

5.3对于金属钼热物理性质的预测

第六章总结与展望

致 谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果