Fe 高壓熔化線的實驗研究進展

甘 波，李 俊，蔣 剛，張友君

（1. 四川大學原子與分子物理研究所，四川 成都 610065；2. 中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999）

熔化是材料從固態到液態的一種一級相變，是高溫下原子的熱振動使晶體結構從長程有序轉變為無序的結果[1]。金屬的高壓熔化是研究其高溫高壓物性的基礎之一，對于構建金屬的高壓物態方程具有深刻意義，能夠揭示金屬在臨界狀態下的固、液結構和變化規律，在高壓科學、武器物理、地球和天體物理以及航天科技等領域具有重要的應用[2-8]。然而在實驗室同時產生超高的壓力和溫度條件（數百萬大氣壓和5 000 K 以上）以及判斷金屬是否發生熔化比較困難，導致目前關于超高壓下金屬的熔化研究依然存在很大的爭議，動態高壓技術（動高壓）、靜態高壓技術（靜高壓）和理論模擬研究結果之間存在很大的差異[9-10]。因此，在凝聚態物理和高壓物理科學中，金屬和過渡金屬的高壓熔化行為一直是國際上學者們激烈探討和努力攻關的重要科學問題[11-25]。

鐵是一種典型的d區過渡金屬元素，是構成地球固態內核和液態外核的主要元素，其在超高壓條件下的熔化性質可用于限定地球內外核邊界溫度，進而了解地核溫度分布，對揭示地核熱結構[26-28]、地核熱演化歷史[29-30]、地球發電機能量運行機制[31-32]等科學問題至關重要。近幾十年來，在眾多過渡金屬元素中，鐵的高壓熔化問題受到國內外學者的格外關注。目前，對于鐵高壓熔化行為的研究方法主要分為3 類：靜高壓實驗、動高壓實驗和理論模擬計算。2000 年之前，動、靜高壓實驗以及理論模擬計算獲得的鐵的高壓熔化溫度存在較大的差異，即便采用相同的研究方法，不同的熔化診斷技術和判斷依據也會產生較大的差異。在過去的20 年里，動、靜高壓實驗技術都獲得了快速發展，并且取得了大量新的研究成果，相關診斷技術、測溫技術以及理論物理的進步使實驗和理論研究獲得的鐵在高壓下的熔化溫度逐漸趨于一致。

靜高壓實驗技術能夠達到的壓力和溫度條件有限，無法模擬地核深處的條件，然而隨著環形壓砧和雙級壓砧等金剛石壓砧技術的發展[33-35]，靜高壓技術可能在不久的將來實現更高的壓力[11]。動態沖擊壓縮通過氣炮或激光產生強沖擊波，提供在更高壓力下測量鐵熔化溫度的可能性[36-38]，這一范圍的壓力對于行星內部深層的建模至關重要[39]。但是，在一個極短時間尺度的動態過程中，如何準確測量不透明鐵的內部溫度并診斷結構極具挑戰[40-41]。X 射線自由電子激光（X-ray free-electron laser，XFEL）以及相關設備，如直線加速器相干光源（Linac coherent light source，LCLS）裝置[42-43]、歐洲XFEL 高能密度儀器[44]等可在幾百吉帕壓力下產生超高亮度的X 射線，預計將顯著提高實驗數據的質量。多通道瞬態輻射高溫計等測溫方法經過不斷地改進，極大地提升了不透明金屬材料沖擊Hugoniot溫度測量的精度[45-47]。這些與動高壓相關的診斷技術的高速發展，對于精確測定鐵的高壓熔化線起著重要作用。

隨著壓力的增加，過渡金屬體積減小，會發生類s態電子和類p態電子向類d態電子的轉移[48]；在高溫條件下，原子的運動不再遵循簡單的簡諧運動。因此在超高壓和高溫條件下，通過理論模擬計算研究具有電子關聯效應的鐵的高壓熔化行為也充滿挑戰[49]。理論模擬計算中使用最廣泛的方法主要是基于從頭算分子動力學模擬的過熱-過冷（單相）滯后法[50]和固液共存（兩相）法[51-55]，其他一些常用的方法主要包含自由能法[56]、Z方法[57-59]等，每種理論模擬計算方法獲得熔化溫度的方式不同，各有優缺點。本文將介紹高壓下測定鐵熔化溫度的動、靜高壓實驗技術以及它們的發展現狀，總結鐵高壓熔化線的研究進展，探討目前的實驗結果如何為理論物理模型提供可靠的基準以及相關實驗技術對準確獲得其他過渡金屬高壓熔化線的指導意義。

1 超高壓熔化研究的實驗技術

表1 總結了一些典型的研究鐵在高壓下熔化溫度的方法和結果，其中：p為壓力，即研究鐵高壓熔化的壓力區間；TM和TH分別表示熔化溫度和Hugoniot 溫度，對于理論模擬計算和靜高壓實驗研究，TM（TH）表示對應壓力區間內鐵的熔化溫度，對于動高壓實驗研究，TM（TH）表示對應壓力區間內鐵的Hugoniot 溫度；TM,ICB為鐵在內外核邊界（Inner core boundary，ICB）壓力下的熔化溫度； DFT（Density functional theory）表示密度泛函理論，AIMD（Ab initiomolecular dynamics）表示從頭算分子動力學，FP（First-principles）表示第一性原理，SMM（Statistical moment method）表示統計矩方法，LC（Lindemann criterion）表示林德曼準則，LH-DAC（Laser-heated diamond anvil cell）表示激光加熱金剛石壓腔，RH-DAC（Resistance-heated diamond anvil cell）表示電阻加熱金剛石壓腔，TSLGG（Two-stage light gas gun）表示二級輕氣炮，PG 表示推進劑炮（Propellant gun），HP Laser（High power laser）表示高功率激光，XRD（X-ray diffraction）表示X 射線衍射，SMS（Synchrotron M?ssbauer spectroscopy）表示同步輻射穆斯堡爾譜，XANES（X-ray absorption near edge structure）表示X 射線吸收近邊結構，SVD（Sound velocity discontinuity）表示聲速不連續，SED（Self-emission diagnostics）表示自發射診斷，EXAFS（Extended X-ray absorption fine structure）表示擴展X 射線吸收精細結構。可以發現靜高壓和動高壓實驗中常使用的加載設備分別為激光加熱金剛石壓腔和二級輕氣炮。

1.1 實驗裝置

1.1.1 靜高壓實驗裝置

靜高壓實驗中常用的高溫高壓加載設備主要包括大壓機（Large-volume press，LVP）、LH-DAC 和RHDAC。LVP 能夠加載的壓力和溫度條件有限，開展高壓熔化實驗的極限通常約為25 GPa 和2 500 K[60-70]。

LH-DAC 技術利用了金剛石極高的硬度和良好的光學特性[71-72]，不僅允許激光照射和加熱樣品，還可以與同步輻射設施及其他各種診斷技術相結合，對于診斷鐵在高壓下的熔化行為具有獨特的優勢，因此絕大多數關于鐵高壓熔化的靜高壓實驗都采用LH-DAC 技術，如表1 所示。LH-DAC 主要由金剛石壓砧、樣品、墊圈[73-76]、傳壓介質（Pressure transmitting medium）[77-79]、壓標物質（Pressure gauge）[80]等構成（見圖1[11]）。LH-DAC 技術通過熱輻射測溫方法獲得樣品的溫度信息。在早期實驗中，用于熱輻射測溫的光學高溫計是通過測量樣品在一定波長間隔內的亮度并與黑體在相同波長間隔內的亮度比較，當二者亮度相同時，該亮度對應的黑體溫度表示為樣品溫度。然而，實際上樣品不是黑體，并且樣品和黑體的亮度對比是通過觀察樣品成像面上燈絲亮度的方式確定，因此這種溫度標定方法存在較大的測溫誤差。目前，LH-DAC 通過測量樣品的熱輻射光譜，基于普朗克黑體輻射定律獲得樣品的溫度信息[81-84]，即物體在不同溫度下發射的熱輻射光強度具有不同的波長分布。熱輻射光強不僅與樣品溫度相關，還與發射本領（發射率ε）相關，而ε 隨著波長的變化而變化。通過光譜儀和CCD 探測器測量一段較窄光譜范圍內多個波長的輻射光強度，可將ε 近似為常數，進而擬合得到樣品溫度。該方法提高了樣品溫度的測量精度，但是在超高壓力下測溫信號擬合、測量靈敏度等因素仍然會導致一定的不確定度。在基于金剛石壓腔的靜高壓實驗中，常用的原位測壓方法是紅寶石熒光光譜法[85-88]和狀態方程法[89-96]。紅寶石熒光光譜法是根據紅寶石熒光的偏移確定壓力，具有簡單、快速、精度高等優點，但是不能在高溫下使用。狀態方程法是利用XRD測定壓標物質的晶格參數，根據其壓力-比容-溫度（p-V-T）狀態方程確定壓力。隨著沖擊波動高壓實驗和金剛石壓腔靜高壓實驗對壓標物質高溫高壓狀態方程的深入研究，金剛石壓腔靜高壓實驗中能夠使用的壓標物質越來越多，壓力標定的精度逐漸提升。

圖1 LH-DAC 靜高壓實驗系統示意圖[11]Fig. 1 Schematic of static compression in a LH-DAC[11]

表1 高壓下鐵的熔化溫度的實驗和理論研究總結Table 1 Summary of experimental and theoretical studies on the melting temperature of iron at high pressures

表1 （續）Table 1 (Continued)

RH-DAC 是LH-DAC 的一種補充技術[97-104]，分為外部電阻加熱型[103-105]和內部電阻加熱型[106-109]。內部電阻加熱型的RH-DAC 可獲得的最高溫度遠高于外部電阻加熱型；當產生熱能的金屬片是樣品本身時，RH-DAC 可以實現4 000～5 000 K 的高溫條件，但是由于金剛石壓腔制備較復雜，目前RH-DAC在鐵高壓熔化行為研究中的應用并不廣泛。

在研究金屬熔化行為的靜高壓實驗中，傳壓介質的合理選擇至關重要。在高溫高壓條件下，傳壓介質需要保持絕緣和化學惰性，并且其熔化曲線應比樣品更陡峭。Parisiades[11]總結了一些靜高壓熔化實驗中常用傳壓介質的熔化曲線[110-116]，其中氯化鉀（KCl）廣泛應用于鐵熔化的靜高壓實驗。

1.1.2 動高壓實驗裝置

動高壓實驗的極端條件是通過沖擊波壓縮物質產生的。沖擊波壓縮物質將同時產生高壓和高溫，改變物質的原子和分子結構。金屬等固體在沖擊壓縮下發生固-液相變的現象稱為沖擊熔化[1]。靜高壓實驗中，材料熔化的能量全部來自于外部熱源不斷提供的熱能；而動高壓實驗中，材料在極端應力-應變率加載下的熔化所需的全部能量來自于沖擊波本身。沖擊波壓縮物質是一個與外界熱交換可忽略不計的不可逆絕熱過程[1]，將導致物質的溫度迅速升高。隨著沖擊壓力逐漸增加并達到一定的閾值，沖擊波攜帶的能量使被壓縮的物質發生熔化；進一步提高沖擊壓力可增加受沖擊壓縮物質熔化的比例，直至完全熔化成為液體。因此，固體物質在沖擊壓縮下的熔化過程是在一定的沖擊壓力區間內實現，即沖擊熔化壓力區。動高壓實驗就是需要測量鐵在沖擊熔化壓力區內的沖擊熔化溫度。

目前產生強沖擊波的裝置主要有輕氣炮（一級、二級和三級）、推進劑炮、Z箍縮裝置、軌道炮、磁加速器、高功率激光等[117]。這些技術可產生數吉帕至數千吉帕的沖擊壓力以及數百至數萬開的溫度。近年來，在關于鐵高壓熔化行為的動高壓實驗研究中，主要使用的動高壓實驗裝置包括推進劑炮[118]、二級輕氣炮[119]、高功率激光[120]等。

推進劑炮是一種可伸縮的超高速彈丸發射裝置，最高速度達到8 km/s[121]。二級輕氣炮能夠發射不同形狀的彈丸，是實驗室中常用、可靠的超高速發射裝置，主要由火藥室（氣室）、泵管、高壓段、發射管等組成[122]，如圖2 所示。二級輕氣炮具有發射速度范圍廣且容易調節的特點，最高發射速度可達8 km/s以上，大多數直接測量鐵沖擊熔化溫度的動高壓實驗是利用二級輕氣炮開展的。高功率激光裝置利用強激光脈沖產生超強沖擊波，可將樣品加載到太帕（TPa）。

圖2 二級輕氣炮動高壓實驗裝置示意圖（根據文獻[117]改繪）Fig. 2 Schematic diagram of dynamic shock compression using a two-stage light gas gun (modified by Ref. [117])

在動高壓實驗中，樣品的壓力可以通過測量撞擊速度，由阻抗匹配法獲得，或者通過測量樣品內部的沖擊波速度（或粒子速度）獲得，然而由于沖擊波加載作用時間極短，因此樣品Hugoniot 溫度的精準測定一直是動高壓領域的難點。利用推進劑炮和二級輕氣炮開展的動高壓實驗中，主要采用多通道瞬態輻射高溫計測量樣品的Hugoniot 溫度[123-125]，即測量受沖擊壓縮材料在高溫高壓條件下發出的熱（光）輻射能量，通過濾波片限定每個通道輸入信號的波長，進而根據經典熱輻射理論獲得受沖擊材料的溫度。對于不透明材料，只有在距離沖擊波陣面幾納米范圍內的觀測面（自由面），才能捕捉到物質內部未受干擾的沖擊波陣面的光輻射[16,126-127]，因此這類材料需要在樣品觀測面加裝一個透明窗口，通過測量樣品與窗口的界面溫度推導出樣品內部的沖擊波溫度。這種方法也帶來了一系列新的物理問題，其中最大的問題是樣品與窗口之間微米尺度間隙的影響，該間隙將產生比不透明材料內部高出上千攝氏度的高溫界面層[128]。此外，透明窗口材料的選擇也十分重要，透明窗口材料在受到沖擊波加載的高溫高壓條件下必須保持良好的光學性能。目前常用的高壓窗口為單晶氟化鋰（LiF）和單晶藍寶石（Al2O3），其中單晶LiF 是目前透明性最好的窗口，能夠在200 GPa 的沖擊壓力下保持良好的透明性[1]。

1.2 熔化診斷技術

1.2.1 靜高壓實驗診斷

在靜高壓實驗中，樣品熔化監測和判斷方法主要包括激光斑紋法[145,165-166]、原位XRD 譜的液體漫散射信號[10,12,46,167-175]、X 射線吸收譜（X-ray absorption spectroscopy，XAS）的演變[152,154,176-180]、加熱功率與溫度關系的變化[181]、淬火時顯微織構的形成[182]、加熱后掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope，SEM）觀察[183-184]、電阻率的變化[155,185-187]、SMS 的演變[151,153,188-190]等。

早期開展的鐵熔化靜高壓實驗中[143,145-146]，主要采用直接顯微觀察樣品表面的方法來判斷樣品是否熔化。樣品發生熔化的判斷依據主要包括：(1) 在熱淬火后的樣品表面觀察到晶界湮滅及其他表面織構特征；(2) 高溫時觀察到樣品表面出現類似流體的運動（如果熱淬火后樣品表面特征保留，則判定樣品未發生熔化）。這兩種判斷方法存在很大的弊端。這是因為觀察到樣品表面光學性質的變化或者對流運動特征可能是由于傳壓介質或樣品發生結構改變（如相變）或者樣品與傳壓介質、金剛石壓砧等在高溫條件下發生化學反應[167,191-192]。另外，在許多情況下，通過觀察樣品表面織構或運動判定的熔化現象與樣品開始動態的快速重結晶相吻合[10,12,169]，由于高溫重結晶和熔化都是吸熱過程，因此在光學上不易區分。

隨著同步輻射設施的進步，與X 射線相關的診斷技術逐漸形成并發展，如XRD、XAS、SMS 等，這些都非常有利于獲得更加精準的靜高壓實驗結果[193]。XRD 是基于X 射線同步輻射源較早建立且可靠的熔化診斷技術。隨著溫度逐漸升高，固相信號布拉格（Bragg）衍射峰在減弱的同時會伴隨著液相X 射線散射信號的出現[10,12,46,167-175]。隨著溫度的進一步升高，當XRD 譜中的布拉格衍射峰全部消失，則表明樣品完全熔化，因此熔化溫度定義為首先出現漫散射信號時的溫度，如圖3(a)所示[10]。XRD 技術具有顯著的優點，例如：能夠連續原位地測量樣品的結構，可以同時監測樣品中的相變及可能的化學反應，可以通過固體物質的體積膨脹對溫度測量進行獨立控制等。

SMS 是另一種基于X 射線同步輻射建立起來的用于診斷鐵熔化的技術[151]。該技術診斷鐵的熔化主要依賴鐵原子在一個可與它們核壽命相媲美的時間窗內的動力學過程，通過樣品有效厚度的減小以及液相中穆斯堡爾信號的塌縮來確定樣品熔化，如圖3(b)所示[151]。

XAS 也是基于X 射線同步輻射并且可用于診斷鐵熔化的技術[152]。XRD 可以探測固-液轉變過程中的長程結構變化，而XAS 是一種元素選擇技術，對局域原子環境更加敏感。XAS 技術包括提供局域原子結構信息的EXAFS 和提供電子結構信息的XANES。在熔化實驗中，固-液轉變的定義是XAS 信號的XANES 區域的肩消失，以及幾個振蕩的平坦化，如圖3(c)所示[154]。XAS 是一種多元技術，可以提供關于熔化的相關信息，也可以提供鐵在極端條件下的局域、電子和磁性結構信息。

電阻率的變化也可以用于診斷樣品熔化。在RH-DAC 靜高壓實驗中，由于產生熱能的金屬片是樣品本身，因此當樣品發生熔化時，其電阻率將發生明顯變化。樣品溫度隨外加電壓或電流的增加而升高，當達到一定數值后開始波動，同時電壓與電阻的關系曲線發生改變，表明樣品開始熔化，如圖3(d)所示[155]。然而，在高溫高壓條件下，金屬或凝聚介質可能發生費米面和電子結構變化以及重結晶等微觀變化[10,194]，還可能在熔化前發生相變或預熔化等物理現象[195-196]，這些變化也會造成電阻的改變，若與熔化現象造成的電阻變化相耦合，將會影響該方法所得診斷結果的精準度。

加熱功率與溫度的關系也是靜高壓實驗中判斷樣品開始熔化的方法之一。在樣品熔化前，樣品溫度一般隨著激光功率的增加而線性增加。當樣品的溫度增加至熔點之后，由于熔化需要吸收潛熱，激光加熱只會增加樣品熔融部分的體積，不會繼續增加樣品的溫度，激光功率與樣品溫度的關系在樣品熔化時出現一個平臺[181]，如圖3(e)所示[10]。這種方法需要定期監測溫度，當無法從現場獲得熔化信息時，經常使用此方法。這種方法提供了定性和相對準確的結果，并在許多情況下與其他熔化診斷方法得到的結果一致，如XRD 和XAS[172-173,176,197]。然而也有一些研究表明，雖然靜高壓實驗中樣品熔化時普遍存在溫度平臺，但是這種判斷準則不適用于所有樣品，例如可能導致熔化溫度偏低的鋯樣品[12]或者偏高的鈦樣品[169]。Geballe 等[198]曾提出熔化潛熱相比于激光提供的熱量不明顯，并且靜高壓熔化實驗中還有許多原因可能導致溫度與激光功率之間的線性關系發生改變，例如：樣品反射率的不連續性，傳壓介質的熱導率隨著溫度的升高而增加，傳壓介質厚度的改變，傳壓介質熔化，樣品腔的力學不穩定性等[11]。雖然根據加熱功率-溫度曲線的平臺段獲得熔化溫度的方法在許多情況下是有效的，但是它本身并不是一種穩定可靠的方法，例如：Anzellini 等[10]利用原位快速XRD 技術診斷鐵熔化時發現，雖然熔化時普遍存在溫度平臺，但是并不是所有情況都與XRD 技術獲得的熔化溫度相一致。因此，在鐵熔化靜高壓實驗的診斷中，加熱功率與溫度關系的變化規律通常僅作為一種補充手段[10,144-146]。

圖3 金剛石壓腔靜高壓實驗中一些典型的用于研究鐵高壓熔化的診斷方法與標準：(a) XRD[10]，(b) SMS[151]， (c) XAS[154]，(d) 電阻率[155]，(e) 激光功率與溫度的關系[10]Fig. 3 Some typical diagnostic methods and criteria used to study the melting behavior of iron at high pressures in heated DAC experiments: (a) XRD[10], (b) SMS[151], (c) XAS[154], (d) resistivity[155], (e) relationship between laser power and temperature[10]

1.2.2 動高壓實驗診斷

隨著沖擊壓力的增加，沖擊波溫度隨之增加，二者的關系為連續的固體Hugoniot 線。但是當壓力達到一定值時，受沖擊的樣品開始熔化并吸收相變潛熱，導致樣品的Hugoniot 線間斷，如圖4(a)所示。通過測量樣品受沖擊時的Hugoniot 溫度，由Hugoniot 溫度-壓力曲線的不連續性可以判斷樣品的沖擊熔化壓力區。動高壓實驗測量的Hugoniot 溫度數據點有限且具有較廣的分布區間，因此這種方法確定的沖擊熔化壓力區存在較大的不確定性和誤差。例如：Williams 等[143]采用此方法確定鐵的沖擊熔化壓力區為228～255 GPa，而Yoo 等[119]得出了壓力更高且范圍更廣的沖擊熔化壓力區（235～300 GPa）。

平面沖擊壓縮過程中，縱波的傳播方向與平面沖擊波粒子速度的運動方向一致，因此縱波可以在固體、液體或氣體中傳播；而橫波的傳播方向與沖擊波的運動方向垂直，因此橫波必須在具有抵抗剪切加載應力的固體中傳播，不能在液體或氣體中傳播[1]。由此可知，測量沿著沖擊絕熱線的聲速是確定沖擊壓縮固-液相變壓力的一種重要且可靠的手段。高壓聲速測量主要有光分析法和加透明窗口的光分析法[1]。光分析法通過光強的變化計算聲速，而加透明窗口的光分析法是通過界面粒子速度隨時間的變化計算聲速。激光速度干涉測量技術的發展和透明窗口鍍膜等增加了界面粒子速度測量的精度，使得加透明窗口的光分析法具有相對較高的測量精度，是目前高壓聲速測量采用的主要方法。根據鐵高壓聲速的測量結果（見圖4(b)），鐵的沖擊熔化壓力區為225～260 GPa[40,156]。因此，動高壓實驗中通常通過測量高壓聲速確定凝聚介質的沖擊熔化壓力區間，然后通過測量沖擊熔化壓力區間內的沖擊波溫度更加精準地獲得沖擊熔化溫度。此外，一些靜高壓實驗中采用的熔化診斷技術，如XAS、XRD 等，也逐漸發展并應用于高功率激光加載的動高壓實驗中。例如：對于原位XRD 技術， XRD 譜中密排六方晶格（hcp）結構的特征峰消失（見圖4(c)）表明受沖擊的樣品已經熔化為液體[120]。

圖4 動高壓實驗中常用的沖擊熔化診斷方法[40,120,156]：(a) 沖擊壓力與Hugoniot 溫度關系的不連續，(b) 沿著沖擊絕熱線聲速的不連續，(c) 沖擊下hcp 結構的X 射線衍射峰消失[120]Fig. 4 Typical diagnostics for the shock-induced melting in dynamic compression experiments[40,120,156]: (a) discontinuity of the relationship between shock pressure and Hugoniot temperature, (b) discontinuity of sound velocity along the Hugoniot,(c) the disappearance of XRD peak for hcp structure under shock loading[120]

2 鐵高壓熔化線的實驗研究結果

2.1 靜高壓實驗結果

表1 和圖5 總結了采用靜高壓技術開展鐵的高壓熔化實驗中的溫度壓力區間、診斷方法以及獲得的實驗結果。早期（1995 年以前）的靜高壓實驗結果（圖5 中綠色圖例）主要是Williams 等[143]、Boehler[145]和Saxena 等[146]采用LH-DAC 技術獲得，實驗結果之間存在1 000～2 000 K 的差異。這主要是由于他們通過直接顯微觀察樣品表面特征來判斷樣品是否熔化。此外，早期的LH-DAC 實驗中采用單面激光加熱，樣品中存在較大的徑向溫度梯度，加之激光加熱系統、CCD 光譜儀等設備的穩定性和靈敏度等問題，也可能導致早期的靜高壓實驗結果存在較大的差異。

圖5 鐵高壓熔化溫度的典型靜高壓實驗研究結果[10,143-155]（綠色、紅色、藍色和洋紅色圖例分別表示采用直接顯微觀察樣品表面、XRD、SMS 和XAS 獲得的LH-DAC 靜高壓實驗結果，橙色圖例表示采用電阻率作為診斷方法獲得的RH-DAC 靜高壓實驗結果）Fig. 5 Typical results of the melting temperatures of iron at high pressures using static compression experiments[10,143-155] (The green,red, blue, and magenta legends represent the experimental results of LH-DAC experiments obtained by direct microscopic observation of sample surface, XRD, SMS, and XAS as diagnostic methods, respectively; the orange legends represent the experimental results of RH-DAC experiments using resistivity measurements as the diagnostic method.)

此后，雙面激光加熱的LH-DAC 技術逐漸發展，可以在直徑大于30 μm 的腔體內產生均勻的能量沉積，顯著地減小了樣品中的溫度梯度[199-202]。2004 年，Shen 等[148]、Ma 等[149]將原位XRD 診斷技術應用于鐵熔化的靜高壓實驗，達到的最高壓力約100 GPa。此后，Anzellini 等[10]利用快速原位XRD 技術[167,174]診斷熔化，將鐵熔化靜高壓實驗的最高壓力和溫度提升至約200 GPa 和5 000 K，并且在低于160 GPa 的范圍內直接測得鐵的熔化溫度，該結果略高于Shen 等[148]和Ma 等[149]的實驗結果，但是XRD 作為熔化診斷技術獲得的實驗結果（圖5 中紅色圖例）之間的差異明顯小于早期采用直接觀察樣品表面特征獲得的熔化溫度之間的差異。這表明原位XRD 技術，尤其是原位快速XRD 技術在鐵熔化靜高壓實驗中的應用明顯減小了由于熔化診斷不合理帶來的實驗誤差。此外，Anzellini 等[10]利用快速XRD 開展的實驗還證實了鐵的快速重結晶。該現象與Boehler[145]和Saxena 等[146]利用顯微觀察樣品表面方法觀察到的熔化現象較為一致，較好地解釋了為什么早期部分靜高壓實驗獲得了較低的熔化溫度。

Jackson 等[151]和Zhang 等[153]嘗試在LH-DAC 靜高壓實驗中使用原位SMS 技術來診斷鐵的熔化，并且在最高約80 GPa 的壓力范圍內獲得了鐵的熔化溫度（圖5 中藍色圖例）。可以發現，雖然不同學者利用SMS 技術獲得的鐵的高壓熔化溫度之間具有較好的一致性，但是與利用快速XRD 獲得的結果相比，該結果明顯偏低[10]。在XRD 中，散射過程非常快且無共振，因此原子運動變得無關緊要。然而，與XRD 不同，SMS 對于鐵原子核的運動非常敏感，但與原子排列無關。因此需要開展更多實驗探究快速XRD 和SMS 診斷技術獲得的實驗結果之間存在差異的物理原因。

Aquilanti 等[152]和Morard 等[154]將原位XAS 技術運用于診斷鐵熔化的LH-DAC 靜高壓實驗，并且在最高約135 GPa 的壓力范圍內獲得了鐵的熔化溫度（圖5 中洋紅色圖例）。可以發現，Aquilanti 等[152]的實驗結果比快速XRD 獲得的結果[10]低約1 000 K。Morard 等[154]在后來的研究中指出，造成這種差異的原因可能是Aquilanti 等[152]在XAS 實驗中實際測量的是被碳污染的鐵樣品，并且過高估計了高溫下的壓力，導致所獲得的熔化溫度偏低。因此，Morard 等[154]通過改進DAC 壓腔的制備工藝和熱壓計算方法，利用XAS 診斷技術獲得了鐵在高壓下的熔化溫度，實驗結果與原位快速XRD 獲得的結果[10]具有良好的一致性。

除了采用LH-DAC，2019 年Sinmyo 等[155]采用RH-DAC 開展了靜高壓實驗，利用電阻率判斷鐵是否熔化，最高的實驗壓力約290 GPa，這是目前鐵熔化溫度測定靜高壓實驗所能達到的最高壓力。RH-DAC靜高壓實驗獲得的結果（圖5 中的黃色圖例）比利用XAS[154]和快速XRD[10]作為診斷技術的LH-DAC靜高壓實驗結果低約1 000 K，更接近鐵的快速重結晶溫度。Sinmyo 等[155]將這種差異歸因于樣品溫度分布的不同，主要由樣品厚度以及加熱方式不同所致，但是具體是何種原因還需要通過更多的實驗進一步探索。

隨著RH-DAC 和LH-DAC 技術的發展，以及原位XRD、XAS 和SMS 等熔化診斷技術的應用和發展，鐵熔化靜高壓實驗能夠實現的溫度和壓力范圍不斷擴大，同時實驗結果之間的差異逐漸縮小，尤其是利用原位XAS 和快速XRD 作為診斷技術的LH-DAC 靜高壓實驗結果之間具有良好的一致性，但是實驗結果仍然具有較大的不確定度，并且與電阻率作為熔化診斷方法的RH-DAC 以及SMS 作為診斷技術的LH-DAC 靜高壓實驗結果之間仍然存在一定的差異，導致這種不確定度和差異的因素可能包括溫度測定、熱壓測定、傳壓介質的熔化、X 射線光束錯位、額外來源的漫散射信號、快速重結晶、化學反應和碳化物的形成、樣品厚度、加熱速率和熔化相變速率等[11]。未來靜高壓實驗一方面需要探究這些差異存在的確切原因及解決方法，進一步減小實驗結果的不確定度；另一方面需要進一步提高靜高壓實驗的溫度和壓力加載范圍，尤其是LH-DAC 技術。

2.2 動高壓實驗結果

表1 和圖6 總結了利用動高壓技術研究鐵高壓熔化行為的相關成果，包括加載方式、溫度和壓力區間、熔化診斷方法以及實驗結果等。動高壓實驗研究主要分為兩類：(1) 采用測溫技術直接測量鐵的沖擊Hugoniot 溫度；(2) 采用診斷技術測得鐵的沖擊熔化壓力區，并根據熱力學參數等計算得到鐵的高壓熔化溫度。

Williams 等[143]、Bass 等[157]和Yoo 等[119]是最早利用多通道瞬態輻射高溫計開展鐵沖擊波溫度測量的學者。為了解決樣品與窗口之間存在間隙的問題，他們采用在窗口上面鍍一層厚度為1～2 μm 的鐵膜或者直接采用厚度約25 μm 的鐵箔作為樣品，通過4～6 個通道的輻射高溫計測量樣品/窗口界面溫度，進而獲得樣品鐵的Hugoniot 溫度。這種方法獲得的Hugoniot 溫度（圖6 中藍色、綠色和洋紅色實心圖例）和沖擊熔化壓力區存在一定的差異，并且獲得的熔化溫度比靜高壓實驗的合理外推結果及理論模擬研究結果高約2 000 K[10,133,141,154]。造成這種差異的原因可能主要包括以下3 個方面：(1) 鍍膜或鐵箔樣品可能在鍍膜過程或裝配過程中引入了間隙，導致測量溫度偏高；(2) 輻射高溫計只采用4～6 個離散波長的測溫通道，并且光電二極管的時間分辨精度不高，這些因素可能導致擬合得到的界面溫度不準確；(3) 在沖擊壓縮時間尺度內，由于樣品較薄，一部分熱量可能傳遞到樣品/窗口界面，導致測量的界面溫度偏高。

為了克服不透明金屬材料在動高壓測溫實驗中存在的問題，解決動高壓實驗獲得的鐵的高壓熔化溫度與靜高壓實驗結果及理論模擬研究結果存在的較大差異，2020 年Li 等[47]通過改進沖擊加載下樣品靶的結構和輻射測溫技術，例如使用鏡面拋光的塊狀致密樣品和LiF 窗口、包含16 通道多波長的輻射高溫計、高時間分辨精度的光電二極管，以及多普勒速度干涉儀同步測量界面粒子速度等，直接獲得了沖擊加載下鐵與LiF 窗口界面的沖擊波溫度，進而利用熱輸運模型得到了鐵在沖擊Hugoniot 狀態下的溫度。該實驗結果顯示受沖擊壓縮的鐵在約225 GPa 開始熔化（圖6 中紅色實心圖例），與沖擊聲速測量實驗獲得的結果[40,203]一致。該實驗獲得的沖擊熔化溫度比早期動高壓測溫實驗的結果低1 000～2 000 K[119,143,157]，說明該方法有效地避免了樣品與窗口之間存在間隙等因素導致測量溫度偏高的問題。

圖6 鐵高壓熔化溫度的典型動高壓實驗研究結果[47,119-120,143,157,161,163-164]（實心圖例表示采用多通道瞬態輻射高溫計直接測得的鐵的Hugoniot 溫度和熔化溫度，其中綠色[143]、藍色[157]和洋紅色[119]圖例代表使用微米厚鐵膜或鐵箔、4～6 個波長通道的高溫計測得的Hugoniot 溫度，紅色圖例[47]代表使用毫米厚塊狀鐵、16 個波長通道的高溫計測得的Hugoniot 溫度；空心圖例表示高功率激光加載動高壓實驗中采用XAS 和XRD 測得的鐵的沖擊熔化，通過熱力學計算得到的Hugoniot 溫度）Fig. 6 Typical results of the melting temperatures of iron at high pressures by dynamic compression experiments[47,119-120,143,157,161,163-164](The solid legends show that Hugoniot temperatures and melting temperatures of iron are directly measured by a multichannel transient radiation pyrometer; the legends of green[143], blue[157] and magenta[119] represent the Hugoniot temperatures of iron measured by a pyrometer with 4-6 wavelength channels using iron film (foil) sample; the red legend[47] represent the Hugoniot temperatures of iron measured by a pyrometer with 16 wavelength channels using bulk iron sample; the open legends represent that the Hugoniot temperatures of iron are calculated through thermodynamic calculations from the shock melting measurements by XAS and XRD in the dynamic compression experiments of high power laser loading.)

隨著XFEL 源的發展，長激光脈沖加載與XFEL 診斷的結合為高功率激光加載動高壓實驗研究鐵的高壓熔化行為提供了新的方法。目前在高功率激光加載鐵熔化的動高壓實驗中，已經應用的熔化診斷技術包括原位XAS 和XRD。Harmand 等[163]利用原位XAS 技術發現，激光加載下鐵沿著沖擊絕熱線達到260 GPa 時，XANES 光譜在7.12 keV 附近出現修正的前緣特征。該特征可能表明鐵已經發生沖擊熔化，與聲速動高壓實驗獲得的鐵沿著沖擊絕熱線完全熔化為液體時的壓力[40]相一致。據此，Harmand等[163]結合流體力學模擬軟件計算得到熔融鐵在260 GPa 時的Hugoniot 溫度為（5 680±700） K（圖6 中紫色空心矩形圖例），與Li 等[47]利用多通道瞬態輻射高溫計直接測量得到的鐵的Hugoniot 溫度（圖6 中紅色實心圖例）相一致。對于原位XRD 技術，當XRD 譜中hcp 結構的特征峰消失，出現一個光滑的展寬衍射環時，表明受沖擊的鐵已經熔化。Turneaure 等[120]采用原位XRD 技術確定了鐵在242～247 GPa的沖擊壓力范圍內發生熔化，該沖擊熔化壓力區比通過聲速測量獲得的沖擊熔化區窄[40]，導致這種差異的原因可能是激光沖擊壓縮實驗中使用的樣品較薄，只有當足夠多的樣品熔化時，才能確定樣品發生熔化。Turneaure 等[120]結合實驗結果計算了hcp 鐵沿著沖擊絕熱線的p-T狀態，并獲得了鐵在沖擊熔化區的熔化溫度（圖6 中黃色空心圖例），與Li 等[47]利用多通道瞬態輻射高溫計直接測量的Hugoniot溫度一致。

在高功率激光加載的動高壓實驗中，還可以改變沖擊加載路徑，研究鐵在更高沖擊壓力（大于260 GPa）下的沖擊熔化。例如：Ping 等[161]采用多沖擊加載方法，利用原位XAS 技術研究了鐵在0～560 GPa 壓力范圍內的局域結構，結果表明，沿著設定的多次沖擊加載路徑，固態鐵能夠保持穩定至560 GPa（圖6 中酒紅色空心圖例）。雖然這種方法沒有觀察到鐵在更高壓力下的沖擊熔化，并且計算得到的壓力和溫度也具有較大的不確定度，但是卻為我們提供了一種利用動高壓技術在更高壓力下研究鐵熔化行為的思路。

總的來說，在測量鐵沖擊熔化的輕氣炮動高壓實驗中，通過改進沖擊加載下樣品靶的結構和輻射測溫技術，鐵沖擊Hugoniot 溫度（沖擊熔化溫度）測量的精準度得到了顯著提升。利用高功率激光加載直接獲得鐵的沖擊熔化壓力區和間接獲得鐵的沖擊熔化溫度分別與氣炮實驗中聲速和輻射高溫計測定的實驗結果相一致。隨著高功率激光多次沖擊加載以及沖擊整形加載技術的發展，基于X 射線的動態診斷技術（如XRD、XAS）以及多通道瞬態輻射高溫計等技術的應用，未來動高壓加載技術可能在更高壓力下實現鐵的熔化行為研究。例如，利用XAS、XRD 等診斷技術，通過設計不同時序及脈沖寬度的激光以改變鐵的沖擊加載路徑，探索鐵在更高壓力下的沖擊熔化壓力區間，然后利用多通道瞬態輻射高溫計、條紋光學高溫計（Streaked optical pyrometry，SOP）等測溫技術獲得特定路徑加載下鐵的熔化溫度。這些設想需要在以后的激光沖擊壓縮實驗中不斷探索。

2.3 動、靜高壓實驗結果對比

2019 年以前，靜高壓實驗所能測得鐵的熔化溫度的最高壓力不超過200 GPa，而動高壓實驗能夠獲得鐵在沖擊熔化區（大于220 GPa）內的熔化溫度，因此只有通過合理的外推才能直接比較動、靜高壓的實驗結果。目前靜高壓實驗已經獲得了鐵在約290 GPa 范圍內的熔化溫度[155]，動高壓技術也能準確獲得鐵在沖擊熔化壓力區間以及部分卸載壓力（120～150 GPa）下的熔化溫度[47]。因此，這里主要對一些典型的動高壓和靜高壓實驗結果進行對比討論，如圖7 所示。

圖7 鐵高壓熔化溫度的典型動高壓和靜高壓實驗結果對比[10,47,120,154-155,163]（動高壓實驗結果與靜高壓實驗結果具有良好的一致性，尤其是采用XAS[154]和XRD[10]作為診斷技術的LH-DAC靜高壓實驗和改進樣品靶結構并采用多通道瞬態輻射高溫計[47]的動高壓實驗結果之間）Fig. 7 A comparison of the typical results on the melting temperatures of iron at high pressures obtained by the static and dynamic compression experiments[10,47,120,154-155,163] (The results are generally consistent with each other between dynamic and static experiments. In particular, the results of LH-DAC static experiments using XAS[154] and XRD[10] as diagnostic techniques are in good agreement with those of dynamic experiments using improved pyrometry[47].)

從圖7 可以發現，動高壓實驗中采用多通道瞬態輻射高溫計測得的沖擊Hugoniot 溫度[47]與靜高壓實驗中利用原位快速XRD[10]和XAS[154]技術獲得的結果具有良好的一致性，表明動高壓和靜高壓實驗之間長期存在巨大差異的狀況得到了有效改善。雖然RH-DAC 加載的靜高壓實驗能夠達到鐵的沖擊熔化壓力區，但是在120～150 GPa 的壓力范圍內，RH-DAC 靜高壓實驗結果[155]比動高壓實驗結果[47]低約1 000 K，并且隨著壓力的增大，二者之間的差距縮小，即便在鐵的沖擊熔化壓力區，二者仍存在500～800 K 的差異。具體何種原因導致RH-DAC[155]及LH-DAC 實驗結果[10,154]與動高壓實驗結果存在差異，加熱速率和熔化相變速率等對鐵的高壓熔化行為產生何種影響，這些問題都需要在以后的研究中不斷探索。

總的來說，隨著動高壓測溫技術、靜高壓加載和熔化診斷技術的不斷發展，動、靜高壓實驗結果的精度顯著提升，動、靜高壓實驗結果的差異逐漸縮小，有效改善了它們之間長期存在較大差異的問題。

3 鐵高壓熔化線的實驗與理論研究結果對比

3.1 鐵高壓熔化行為的理論研究

除了開展動、靜高壓熔化實驗，理論模擬計算也是研究鐵高壓熔化行為的重要手段[204-209]。與實驗研究相同，理論模擬計算研究也經歷了長時間的探索與發展，一些典型的研究方法和結果如表1 和圖8所示。鐵高壓熔化的理論研究主要包括兩類：(1) 分子動力學和第一性原理模擬，(2) 基于熱力學方程的理論數值計算。

圖8 鐵高壓熔化溫度的理論模擬和熱力學計算結果[129-142]（理論研究主要包括兩類：基于分子動力學或第一性原理的理論模擬以及基于熱力學狀態參數的熱力學計算）Fig. 8 Melting temperatures of iron at high pressures using theoretical simulations and thermodynamic calculations[129-142](Theoretical studies mainly include two categories: simulations based on molecular dynamics or first-principles and thermodynamic calculations based on thermodynamic parameters.)

1999 年，Alfè等[129]采用基于平面波（Projector augmented wave，PAW）[210-211]贗勢的從頭算方法模擬得到了鐵在50～350 GPa 壓力范圍內的熔化曲線，并給出了鐵在內外核邊界壓力（約330 GPa）下的熔化溫度（TM,ICB）為(6 680±600) K，這一較高的熔化溫度與當時Belonoshko 等[131]采用基于嵌入原子法（Embedded-atom method，EAM）[212]和兩相法的從頭算分子動力學（Ab initiomolecular dynamics，AIMD）模擬獲得的結果（TM,ICB=7 100 K）相當，但是二者的熔化曲線斜率存在明顯的差異。此外，當時Anderson等[130]結合林德曼（Lindermann）熔化方程與Vinet 等溫狀態方程計算以及Laio 等[132]結合第一性原理（First-principles，FP）和經典分子動力學模擬得到的熔化曲線和TM,ICB明顯比Alfè等[129]和Belonoshko 等[131]的模擬結果低1 000～2 000 K。

此后，Alfè等[133]通過調整系統模型和計算方法，采用從頭算模擬分別在沒有自由能修正和有自由能修正的情況下獲得了鐵熔化曲線的上限和下限，并獲得了鐵在內外核邊界壓力下熔化溫度的上、下限，分別約為6 350 和6 210 K。2009 年，Alfè[135]采用基于密度泛函理論（Density functional theory，DFT）的第一性原理直接模擬了固液共存鐵的高壓物理性質，得到的TM,ICB（6 370 K）與他之前的研究結果[133]一致。Bouchet 等[138]和Sun 等[141]采用從頭算分子動力學模擬，Zhang 等[139]基于EAM 的分子動力學模擬研究了鐵的高壓熔化行為，獲得的鐵的高壓熔化曲線及TM,ICB與Alfè等[133]的結果具有良好的一致性，表明不同的理論模擬技術通過不斷修正原子勢和計算模型等手段有效地改善了早期理論模擬結果之間存在較大差異的問題。

熱力學理論計算方面，Anderson 等[130,134]、Komabayashi 等[137]、Dorogokupets 等[140]和Cuong 等[142]采用不同的熱物理方法計算得到了鐵的高壓熔化曲線，但是計算結果存在一定的差異，并且不同程度地低于理論模擬研究結果[133,135,139,141]。熱力學數值計算需要基于鐵在高溫高壓下的一些熱力學狀態參數，如Grüneisen 參數、熱膨脹系數等，由于目前這些熱力學參數還未被較好地約束，所以計算結果之間以及與理論模擬結果之間都存在一定的差異。

3.2 鐵高壓熔化線的理論與實驗對比

高壓熔化定律描述固體物質的熔化溫度與壓力、比容等熱力學狀態量之間的普遍關系，常用的定律包括林德曼熔化定律[213-215]、Simon-Glatzel 熔化定律[216]、Clausius-Clayperon 熔化定律[217]以及由Clausius-Clayperon 方程的多項式展開得到的經驗熔化定律[218-219]等。根據這些定律，基于實驗數據可以獲得鐵在高壓下的熔化曲線，合理外推熔化曲線能夠獲得鐵在330 GPa 壓力下的熔化溫度。一些典型的實驗和理論研究獲得的熔化曲線和TM,ICB如圖9 所示。

圖9 鐵高壓熔化線的典型研究結果[10,47,119,129-135,138-139,141,143,145-146,155,157]（20 年前鐵高壓熔化線的實驗與理論研究結果之間存在較大的差異，而目前實驗與理論研究結果之間已經基本吻合）Fig. 9 Typical results of the melting curves of iron at high pressures[10,47,119,129-135,138-139,141,143,145-146,155,157] (Twenty years ago,there was a big difference in the melting curves of iron between experimental and theoretical studies, while the current studies show an overall agreement between experimental and theoretical results.)

20 年前，理論與實驗研究獲得的鐵的高壓熔化線之間存在巨大的差異（見圖9(a)）。隨著理論模擬技術和實驗技術的不斷發展，目前實驗和理論研究獲得的鐵的高壓熔化溫度具有良好的一致性，差異顯著減小（見圖9(b)），標志著理論與實驗結果之間長時間存在巨大差異的問題得到有效改善。雖然以電阻率變化作為診斷方法的RH-DAC 靜高壓實驗獲得了一條較低的熔化曲線[155]，但是以原位快速XRD 為診斷技術的LH-DAC 靜高壓實驗[10]、以多通道瞬態輻射高溫計為測溫技術的動高壓實驗[47]以及從頭算分子動力學[138-139,141]和第一性原理[133,135]理論模擬獲得的熔化曲線之間具有良好的一致性。根據這些研究結果，目前鐵在地球內外核邊界壓力下的熔化溫度可限定為5 900～6 300 K。

4 鐵高壓熔化線的應用

4.1 地核溫度的限定

地核中除了鐵，還包含一定量的鎳（Ni，質量分數5%～10%）和一些輕元素，如硫（S）、硅（Si）、氧（O）、碳（C）和氫（H）等的一種或多種[220-221]。大量的實驗和理論研究表明，地核中的鎳幾乎不會影響鐵的高壓熔化溫度[172,176]，但是輕元素會不同程度地降低鐵在高壓下的熔化溫度[9,45,181,197,222-241]。氧和硫對鐵高壓熔化溫度的降低作用強于硅和碳[9]。因此，根據一些地核可能的成分組成模型[221,242-243]，考慮輕元素對鐵高壓熔化溫度的影響，目前可以將地核在內外核邊界處的溫度（TICB）限定為5 300～5 700 K。通過絕熱梯度模型，可以得到地球外地核的絕熱溫度線

式中： ρICB為地球外地核在內外核邊界處的密度，根據初步地球參照模型（PREM）可取為12.166 34 g/cm3[244]；γ為Grüneisen 參數，對于地核可以取為1.5[242,245-247]；ρ 和T分別為沿地核絕熱線外地核任意位置的密度及其對應的溫度。因此，目前可以將地球外地核在核幔邊界（CMB，約136 GPa）處的溫度限定為3 900～4 200 K。

4.2 其他過渡金屬高壓熔化線

動、靜高壓實驗和理論模擬計算獲得的鐵在高壓下的熔化溫度和熔化曲線具有較好的一致性。這種一致性表明，以前報道的一些過渡金屬，如鉬（Mo）[4,182,248-249]、鉭（Ta）[16,167,183]和鎢（W）[165,250]等，動、靜高壓實驗在200～300 GPa 壓力下獲得的熔化曲線不一致的主要原因可能是使用不太理想的熔化診斷技術和測溫技術，導致高達2 000～3 000 K 的熔化溫度差異。因此，可以借鑒并利用研究鐵高壓熔化的動、靜高壓實驗和理論模擬技術來開展更多的實驗和理論模擬研究，進而更加準確地獲得其他過渡金屬的高壓熔化線。例如：2020 年Zhang 等[46]采用以原位快速XRD 為主要診斷技術的LH-DAC靜高壓實驗，以多通道瞬態輻射高溫計為測溫技術的動高壓實驗和從頭算分子動力學兩相法模擬研究了過渡金屬釩（V）在10～250 GPa 的熔化溫度，動、靜高壓實驗和理論模擬獲得的釩的高壓熔化溫度具有良好的一致性，解決了之前實驗和理論結果不一致的爭議[165,168,251-253]，證明了將這些實驗和理論模擬技術應用于其他過渡金屬高壓熔化溫度研究的可行性。

金屬的熔點取決于金屬鍵的（剪切）強度，它對每個原子共享的離域電子的數量、陽離子的大小和可壓縮性等很敏感[14,254-255]。因此在未來的研究中，需要對鐵及其他過渡金屬在高壓下的熔化行為進行更多的實驗和理論研究，以系統地了解其熔化機理。

5 結 論

隨著動、靜高壓實驗技術的不斷發展，動、靜高壓實驗獲得的鐵在高壓下的熔化線結果逐漸趨于一致，并且與理論模擬研究結果基本吻合。這些研究結果一方面有利于進一步限定鐵在地核壓力下的熔化溫度，進而揭示地核熱結構、熱演化以及地球發電機運行機制等重要科學問題；另一方面有利于開展其他過渡金屬高壓熔化線的實驗和理論研究。目前鐵高壓熔化的實驗結果仍然存在一定的不確定性，并且與地球內外核邊界處的壓力還有一定的距離，未來關于鐵高壓熔化的實驗研究需要繼續改進加載手段和診斷技術，增大實驗覆蓋的溫壓范圍，降低實驗結果的不確定度，進一步增強實驗結果之間的一致性，例如：采用脈沖激光加熱金剛石壓腔可使靜高壓實驗覆蓋更高的溫壓范圍，將高功率激光沖擊加載技術以及與時間分辨XFEL 和多通道瞬態輻射高溫計等技術相結合來獲得鐵在更高壓力下的熔化溫度等。

感謝《高壓物理學報》常務副主編吳強研究員邀請撰寫本論文，感謝王影和蔡國艷編輯在論文投稿和修改過程中的建議。