釩的沖擊熔化原位X 射線衍射測(cè)量研究*

華穎鑫 陳小輝 李俊 郝龍 孫毅 王玉峰 耿華運(yùn)

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所,沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽(yáng) 621900)

高壓結(jié)構(gòu)與相變研究對(duì)理解物質(zhì)在極端壓縮條件下的性質(zhì)變化和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)行為具有重要的科學(xué)價(jià)值,然而部分過(guò)渡金屬的動(dòng)/靜高壓熔化線差異一直是多年來(lái)懸而未解的科學(xué)難題.其中動(dòng)、靜高壓固-液相界幅值差異最大的是第五副族金屬,以釩最為反常,至今仍缺乏自洽的物理認(rèn)識(shí)和理解.本文采用高能脈沖激光驅(qū)動(dòng)的瞬態(tài)X 射線衍射診斷技術(shù),對(duì)沖擊壓縮下釩的熔化特性進(jìn)行了研究,首次獲取了沖擊壓縮下釩在200 GPa范圍內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨壓力變化的衍射圖譜.研究發(fā)現(xiàn),沖擊壓力為155 GPa 時(shí),釩仍保持固態(tài)bcc 相;至約190 GPa 時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài).這一結(jié)果否定了早期確定的靜壓熔化線,與最新的沖擊熔化線及高溫高壓相圖符合,為釩高壓熔化線的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)提供了新的微觀實(shí)驗(yàn)證據(jù).本工作亦可推廣至其他材料熔化特性的研究工作中.

1 引言

固體材料在沖擊加載的高溫高壓條件下失去力學(xué)強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)稱為沖擊熔化.沖擊熔化是材料動(dòng)力學(xué)特性研究的核心問題之一,在國(guó)防科學(xué)、地球科學(xué)及能源安全等國(guó)家戰(zhàn)略領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值.因此精確熔化線測(cè)量一直是國(guó)際高壓界學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn),它不僅對(duì)理解材料高溫高壓相圖十分重要,更為解釋不同的熔化機(jī)制理論模型提供了可靠證據(jù).因此,極端壓縮條件下固-液相變一直是凝聚態(tài)物理關(guān)注的焦點(diǎn),當(dāng)前通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)手段(如激光加熱的DAC 實(shí)驗(yàn)[1],沖擊壓縮溫度測(cè)量,沖擊壓縮聲速測(cè)量[2]等),開展了許多過(guò)渡金屬(如V,Fe[3],Ta[4,5],Mo[6,7]等)的動(dòng)靜高壓熔化特性研究,最令人困惑的是部分過(guò)渡金屬動(dòng)高壓與靜高壓固-液相界之間的巨大差異,對(duì)于這些差異的物理解釋也并未達(dá)成一致.

其中動(dòng)/靜高壓固-液相界差異幅度最大的是第五副族釩和鉭及其近鄰副族的鉬和鎢[7].與許多過(guò)渡金屬一樣,釩在常溫常壓下具有穩(wěn)定的體心立方結(jié)構(gòu)(bcc),其在高溫高壓的作用下,將發(fā)生bccrh-bcc-液相的相變序列[8-14],并與Nb 一樣,伴隨有剪切模量的壓致軟化和熱致硬化雙重反常[13,15,16].針對(duì)材料相結(jié)構(gòu)的變化,特別是涉及固-液相變時(shí),通常可以通過(guò)熱力學(xué)狀態(tài)、力學(xué)特性變化及原位結(jié)構(gòu)診斷等方法進(jìn)行甄別.在靜高壓實(shí)驗(yàn)方面,2001 年Errandonea 等[1]利用激光加熱金剛石壓砧技術(shù)(LH-DAC)系統(tǒng)地開展了過(guò)渡金屬的熔化線測(cè)量(壓力范圍約100 GPa,溫度范圍約4000 K),根據(jù)樣品表面形貌狀態(tài)作為熔化判據(jù),確定了釩在100 GPa 以內(nèi)的固-液相界,實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)最大壓力80 GPa 時(shí)的熔化溫度約為2700 K.而在動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)中,同年Dai 等[2]報(bào)道了釩在沖擊壓縮下的固-液相變行為,通過(guò)聲速的不連續(xù)性變化獲得在沖擊壓力225 GPa 時(shí)發(fā)生了部分熔化,對(duì)應(yīng)的熔化溫度為7800 ± 800 K.在壓力-溫度(P-T)相圖上,將靜高壓熔化線及其外推線與沖擊實(shí)驗(yàn)確定的Lindemann 等[1]熔化線進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者在200 GPa時(shí)熔化溫度差異高達(dá)2 倍(約4000 K).這樣巨大的差異,給理論計(jì)算的準(zhǔn)確性和過(guò)渡金屬在極端條件下的物理模型建立帶來(lái)了極大的困難.許多假設(shè),如診斷技術(shù)、加載應(yīng)變率、力學(xué)響應(yīng)等在靜態(tài)加載與動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)中的不同,被用來(lái)解釋這種差異,但實(shí)驗(yàn)和理論之間的一致性和可靠性還需要更多可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持.2019 年,Errandonea 等[17]再次通過(guò)LH-DAC 加載,通過(guò)原位X 射線衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)診斷,結(jié)合固定壓力下溫度-激光功率平臺(tái)的測(cè)量,獲取了新的釩的熔化線,發(fā)現(xiàn)較之前給出的DAC 實(shí)驗(yàn)熔化線更高,而較Dai 等[2]通過(guò)沖擊波實(shí)驗(yàn)給出的熔化線更低,在120 GPa 時(shí),熔化溫度約4000 K.2020 年Li 等[18]成功將Fe 在沖擊測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中獲得的熔化線與LH-DAC 實(shí)驗(yàn)熔化線結(jié)果統(tǒng)一,消除了動(dòng)靜壓熔化線間的差異;同年,Zhang 等[19]利用LH-DAC 與沖擊波測(cè)溫實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合對(duì)釩的熔化線進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)沖擊熔化線與靜壓熔化線的延長(zhǎng)線相吻合,并且與理論計(jì)算相符較好,同時(shí)與Errandonea 等[1]的靜壓熔化線也相符較好.可見,通過(guò)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于動(dòng)/靜高壓熔化線爭(zhēng)議有了較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),但相關(guān)研究工作,尤其是動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)仍是基于宏觀熱力學(xué)量診斷來(lái)推斷沖擊熔化的發(fā)生.從微觀相態(tài)變化來(lái)進(jìn)一步識(shí)別,對(duì)于深化動(dòng)高壓下材料的熔化特性是十分必要的.

確定沖擊加載下物相結(jié)構(gòu)是理解動(dòng)/靜固-液相界差異及其物理機(jī)制的基礎(chǔ),而原位地獲取微觀結(jié)構(gòu)的直接證據(jù)更是其中的重點(diǎn).自1972 年Johnson 等[20]對(duì)沖擊壓縮狀態(tài)下的X 射線衍射測(cè)量技術(shù)進(jìn)行探索,但所獲取信號(hào)質(zhì)量不高難以充分分析.此后,相關(guān)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,并獲得了巨大的突破.1999 年Gupta 等[21]將火炮加載與X 射線衍射測(cè)量技術(shù)結(jié)合,使用HP 閃光X 射線源(脈沖為50—90 ns)結(jié)合CCD 探測(cè)系統(tǒng)記錄衍射信號(hào),并利用靶面上的PZT 探針觸發(fā)來(lái)控制火炮加載與X 射線光源的時(shí)間同步,獲得了沖擊加載下的LiF 單晶晶格響應(yīng)行為.同年,Kalantar等[22]將激光沖擊加載與X 衍射測(cè)量技術(shù)結(jié)合,以八路Nova 激光燒蝕靶對(duì)進(jìn)行沖擊加載,另兩路指向金屬背光靶產(chǎn)生X 射線源,采用條紋相機(jī)進(jìn)行原位X 射線衍射測(cè)量,獲取了Si(111)沖擊加載下的晶格變化信息.并且Kalantar 等[23]利用該技術(shù)首次觀測(cè)到單晶鐵的沖擊加載下α→ε結(jié)構(gòu)相變,這標(biāo)志著極端條件下材料相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變從此可以由直接證據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,引發(fā)了相關(guān)研究的熱潮[24-26].近年來(lái),國(guó)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)也得到了重視與發(fā)展,采用激光進(jìn)行沖擊加載,利用泵浦-探測(cè)技術(shù)進(jìn)行沖擊加載與X 射線源的時(shí)序控制,并使用IP 成像板記錄衍射圖像,在一發(fā)實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)衍射信號(hào)的同時(shí)獲取.目前已實(shí)現(xiàn)了單晶材料[27]與多晶材料[28]的沖擊加載下原位X 射線衍射測(cè)量,證明了該技術(shù)路線的可行性.因此本研究采用高功率激光驅(qū)動(dòng)結(jié)合瞬態(tài)X 射線衍射技術(shù),分別選擇原有靜壓熔化線上下的壓力點(diǎn),獲取了沖擊加載下的原位物相結(jié)構(gòu)信息,結(jié)合沖擊Hugoniot 結(jié)果,獲取P-T相圖上不同熱力學(xué)狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物相結(jié)構(gòu)信息,了解沖擊加載至熔化線附近區(qū)域可能的相結(jié)構(gòu)變化,對(duì)前人報(bào)道的差異進(jìn)行確認(rèn)和驗(yàn)證.

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文通過(guò)納秒高功率激光裝置驅(qū)動(dòng)樣品進(jìn)行沖擊加載,產(chǎn)生高溫高壓的物質(zhì)狀態(tài),利用同時(shí)產(chǎn)生的超短超強(qiáng)X 射線源進(jìn)行瞬態(tài)X 射線衍射診斷,原位獲取沖擊加載狀態(tài)下樣品的物相結(jié)構(gòu).瞬態(tài)X 射線衍射實(shí)驗(yàn)采用透射式衍射,針對(duì)多晶樣品開展,結(jié)合宏觀熱力學(xué)量測(cè)量,以確定沖擊至不同壓力、溫度狀態(tài)時(shí)的物相結(jié)構(gòu).

多晶樣品動(dòng)態(tài)加載X 射線衍射實(shí)驗(yàn)(dynamic X-ray diffraction,DXRD)沖擊加載方式與單晶實(shí)驗(yàn)相同,與單晶材料動(dòng)態(tài)晶格響應(yīng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法[27]有所不同的是,多晶材料原位X 射線衍射實(shí)驗(yàn)的核心設(shè)計(jì)采用了透射式衍射技術(shù),結(jié)合全光波雙光源混頻測(cè)速技術(shù)(DLHV)[29],實(shí)現(xiàn)了速度剖面、晶體結(jié)構(gòu)的宏-微觀信息同時(shí)獲取,建立的實(shí)驗(yàn)靶裝置及測(cè)試系統(tǒng)如圖1 所示.實(shí)驗(yàn)中樣品采用多層結(jié)構(gòu)見圖1(b),準(zhǔn)直孔由高原子序數(shù)鉭箔制成,厚度為100 μ0,孔徑為300 μm.樣品箔前段粘貼聚酰亞胺(Polyimide,PI)燒蝕層,兩者之間用金箔作為熱屏蔽層,防止樣品被激光等離子體產(chǎn)生的熱電子加熱.當(dāng)高功率激光直接輻照至PI表面,材料被加熱并迅速氣化,形成等離子體向真空高速擴(kuò)散,在燒蝕面上產(chǎn)生指向樣品的強(qiáng)沖擊波,將樣品迅速加載到高溫高壓狀態(tài).樣品盒采用高原子序數(shù)的鎢合金,以有效屏蔽高亮度的本底輻射(包含X 射線、γ射線和電子束等).

圖1 基于高功率激光驅(qū)動(dòng)的多晶材料瞬態(tài)X 射線衍射診斷技術(shù)實(shí)驗(yàn)靶裝置結(jié)構(gòu)及測(cè)試系統(tǒng)布局示意圖Fig.1.The sketch of experimental setup for in situ X-ray diffraction of shock compressed polycrystalline.

由于樣品后端面未添加窗口,因此從DLHV技術(shù)獲取的樣品自由面速度歷史可近似得到樣品中的真實(shí)粒子速度(up=1/2uf,up為真實(shí)粒子速度,uf為自由面速度).樣品中的沖擊壓力可由已知材料Hugoniot 關(guān)系計(jì)算獲得:

金屬釩的Hugoniot 參數(shù)分別為:ρ0=6.105 g/cm3,C0=5.044 km/s,λ=1.242.

實(shí)驗(yàn)中利用高功率激光轟擊背光靶金屬釩箔,產(chǎn)生熱等離子體,金屬離子退激產(chǎn)生高亮度、準(zhǔn)單色的超短、超強(qiáng)脈沖X 射線源用于原位X 射線衍射診斷.特征X 射線能量由背光靶材料決定,見圖2.背光靶距離樣品約28 mm,與樣品被加載面法線呈45°,X 射線穿過(guò)準(zhǔn)直孔與樣品,當(dāng)滿足布拉格條件時(shí)發(fā)生X 射線衍射,其診斷采用高感光度X 光IP 板進(jìn)行記錄,前端加上塑料箔及鋁箔作為軟X 光屏蔽層.加載激光與診斷激光的時(shí)間同步性需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)物理設(shè)計(jì)完成,利用理論預(yù)估加載激光對(duì)應(yīng)的沖擊速度,結(jié)合樣品厚度得到?jīng)_擊波渡越時(shí)間,只要在沖擊波未抵達(dá)樣品后界面時(shí)刻進(jìn)行診斷均可獲取有效衍射信號(hào).在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,IP 板經(jīng)掃描儀掃描得到X 射線衍射圖像,根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將二維衍射圖像轉(zhuǎn)化為一維X 射線衍射曲線,并通過(guò)XRD 精修獲得樣品在對(duì)應(yīng)熱力學(xué)狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)及晶格壓縮度等信息.

圖2 平面晶體譜儀測(cè)得激光驅(qū)動(dòng)釩箔產(chǎn)生的X 射線源能譜Fig.2.The X-ray spectrum of vanadium foil driven by laser were measured by crystal spectrometer.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 靜態(tài)衍射圖相

實(shí)驗(yàn)在神光III 原型裝置上進(jìn)行,通過(guò)第九路激光(激光波長(zhǎng)351 nm,脈沖寬度3 ns,能量500—3000 J)驅(qū)動(dòng)樣品產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波;當(dāng)沖擊波陣面?zhèn)髦劣行а苌浜穸葏^(qū)域時(shí),四束強(qiáng)激光(激光波長(zhǎng)351 nm,脈沖寬度1 ns,能量800 J/束×4 束)聚焦驅(qū)動(dòng)金屬釩箔產(chǎn)生X 射線源.此刻狀態(tài)下樣品釩的微觀原子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的衍射圖像被IP 成像板記錄,后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析通過(guò)坐標(biāo)變換將衍射圖像轉(zhuǎn)換到 2θ-φ空間,并進(jìn)一步沿φ方向積分得到常規(guī)的X 射線衍射曲線.

實(shí)驗(yàn)中釩薄膜樣品與釩背光靶均采用尺寸為2 mm×2 mm 厚度為25 μm 的多晶材料(Goodfellow公司,純度為99.8%).圖3 所示為無(wú)沖擊載荷下(靜態(tài)樣品)多晶釩X 射線衍射圖譜,圖3(a)和圖3(b)顯示實(shí)測(cè)結(jié)果(含釩樣品和鉭準(zhǔn)直孔的譜線)與實(shí)驗(yàn)前數(shù)值模擬的衍射圖像吻合很好,能夠得到(110)bcc和(200)bcc晶面的衍射線.同時(shí)鉭(110)bcc和(200)bcc晶面的衍射峰位置在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中因鉭未受到?jīng)_擊壓縮而保持固定不變,可作為動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中衍射探測(cè)器角度校準(zhǔn)的參考基線.從圖3 中也可看出,實(shí)驗(yàn)獲取了較好信噪比的衍射譜線,屏蔽了激光等離子體產(chǎn)生的高亮度、寬能譜的本底輻射(主要包含X 射線和電子束),由此驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)空間布局、X 射線屏蔽及防護(hù)的有效性.

圖3 無(wú)沖擊載荷(靜態(tài)樣品)下多晶釩X 射線衍射圖譜 (a)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果;(b)IP 板實(shí)測(cè)圖譜;(c)轉(zhuǎn)換至2θ-φ 空間的衍射圖像;(d)沿φ 方向積分的X 射線衍射譜線,圖中紅色虛線為各衍射峰的理論位置Fig.3.The X-ray diffraction image of un-shocked crystalline vanadium:(a) the result of numerical simulation;(b) the original image recorded by image plates;(c) X-ray data projected into 2θ-φspace;(d) the one-dimensional X-ray diffraction pattern,the red dashed lines represent the theoretical position of diffraction peaks.

3.2 沖擊衍射圖相

在獲取靜態(tài)衍射圖相基礎(chǔ)上,通過(guò)調(diào)整第九路激光能量強(qiáng)度,獲取了多個(gè)較高沖擊壓力狀態(tài)下多晶釩的X 射線衍射圖譜.圖4 所示為沖擊壓力61.7 GPa 多晶釩的動(dòng)態(tài)衍射譜線.根據(jù)實(shí)驗(yàn)診斷的泵浦-探測(cè)方式,衍射信號(hào)對(duì)應(yīng)于沖擊波陣面?zhèn)髦劣行а苌浜穸葏^(qū)域時(shí)的晶體結(jié)構(gòu),同時(shí)包含了波陣面前的未壓縮區(qū)和波陣面后的壓縮區(qū).從圖4 不難看出,相比于靜態(tài)樣品衍射圖譜,除了原有未壓縮的釩(110)bcc,(200)bcc晶面和鉭(110)bcc 晶面衍射峰之外,該壓力下在2θ=74.6°處新增了一條衍射峰且譜線存在較明顯的展寬特征(圖4 中紅色箭頭指示處).首先假設(shè)釩在當(dāng)前高溫高壓條件下依然保持體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)不變,那么新衍射峰則對(duì)應(yīng)于61.7 GPa 下釩(110)bcc晶面.同時(shí)基于沖擊壓縮前、后(110)bcc晶面衍射角度變化,計(jì)算得到釩高壓下密度并結(jié)合DLHV 計(jì)算所得樣品壓力得到實(shí)驗(yàn)獲取的材料壓縮特性狀態(tài),與釩的Hugoniot 曲線比較,符合較好(見圖5),確認(rèn)了沖擊加載至該壓力下的多晶釩仍為BCC 結(jié)構(gòu),未發(fā)生相變.

圖4 沖擊壓力61.7 GPa 下獲得的釩原位衍射圖譜 (a) IP 板實(shí)測(cè)圖譜,新增衍射峰見紅色箭頭所示;(b)轉(zhuǎn)換至2θ-φ 空間的衍射圖像;(c)沿φ 方向積分后的X 射線衍射譜線.Fig.4.The in situ X-ray diffraction images under 61.7 GPa:(a) the original image recorded by image plates,the new diffraction peak is indicated by the arrow;(b) X-ray data projected into 2θ-φspace;(c) the one-dimensional X-ray diffraction pattern.

圖5 原位X 射線衍射給出的密度與自由面速度波剖面測(cè)量結(jié)果的比較 (a)自由面粒子速度剖面,結(jié)合釩的已知Hugoniot 關(guān)系計(jì)算給出沖擊壓力、密度;(b)DXRD 衍射數(shù)據(jù)與壓力-密度(P-ρ/ρ0)Hugoniot 曲線的比較Fig.5.(a) The particle velocity of free surface;(b) the pressure-density relation calculated by DXRD data compare to vanadium Hugoniot curve.

圖6 給出了更高沖擊壓力下多晶釩的動(dòng)態(tài)X 射線衍射圖譜,3 個(gè)壓力點(diǎn)分別為187.3 GPa,197.6 GPa和253.7 GPa.容易觀察到隨著沖擊壓力的增大,衍射線譜的信噪比變差:1)沖擊壓力為187.3 GPa 時(shí),能夠較清晰獲取參考基線—鉭(110)bcc和(200)bcc晶面的衍射峰,釩的衍射線極為微弱;2)沖擊壓力為197.6 GPa 時(shí),除了鉭的基準(zhǔn)衍射線之外,原有釩的衍射線呈現(xiàn)為片狀曝光區(qū)域;3)沖擊壓力為253.7 GPa 時(shí),在強(qiáng)沖擊條件下,加載激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生高額的X 射線本底.另外高壓條件下樣品衍射效率顯著下降,因此所有衍射線均無(wú)法有效獲取.此外,獲取了沖擊至155 GPa 時(shí)(100)bcc單晶釩的動(dòng)態(tài)衍射譜線(見圖7),捕獲了(002)bcc晶面在沖擊壓縮前、后的衍射譜線,表明該壓力下釩仍保持bcc 相結(jié)構(gòu).關(guān)聯(lián)上述不同熱力學(xué)狀態(tài)點(diǎn)的物相信息,可以推斷在187.3 GPa 及以上釩衍射線獲取的缺失可能對(duì)應(yīng)著非晶態(tài)轉(zhuǎn)變,即沖擊熔化的發(fā)生.

圖6 更高沖擊壓力下釩的原位衍射圖譜 (a) 187.3 GPa;(b) 197.6 GPa;(c) 253.7 GPaFig.6.The in situ X-ray diffraction pattern under higher pressure:(a) 187.3 GPa;(b) 197.6 GPa;(c) 253.7 GPa.

圖7 沖擊壓縮下(155 GPa)單晶釩的衍射數(shù)據(jù) (a)實(shí)測(cè)衍射圖譜;(b)沖擊壓縮前后(002)晶面譜線Fig.7.The X-ray diffraction data of shock compressed single crystal vanadium:(a) The diffraction image;(b) the diffraction data of shocked (002) and unshocked (002).

3.3 沖擊熔化及相圖

進(jìn)一步將獲取的動(dòng)態(tài)X 射線衍射數(shù)據(jù)置于相圖中(其沖擊溫度由狀態(tài)方程計(jì)算得到)與文獻(xiàn)報(bào)道的原有動(dòng)、靜高壓熔化線進(jìn)行比較,如圖8 所示.分析表明,在原有靜壓熔化線下方的固相區(qū)域,沖擊加載下獲取的動(dòng)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)與靜高實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,都為bcc 結(jié)構(gòu);但在原有DAC 熔化線上方、沖擊熔化線下方的區(qū)域(155 GPa),沖擊壓縮下釩仍保持固態(tài)結(jié)構(gòu)(bcc 結(jié)構(gòu)),至更高壓力后(187.3 GPa)可能變?yōu)橐后w非晶態(tài),基于衍射數(shù)據(jù)推斷固-液相變發(fā)生在190 GPa 附近區(qū)域.對(duì)此,本文首次通過(guò)直接證據(jù)確定了沖擊加載下釩的物相結(jié)構(gòu),也清楚地確認(rèn)出沿沖擊路徑的固-液相界會(huì)明顯偏高于原有靜壓熔化線,并低于原有的沖擊熔化線.

圖8 釩的DXRD 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與早期動(dòng)、靜高壓熔化線的比較[1,2]Fig.8.The DXRD data of vanadium compared to previous shock/DAC melting line[1,2].

在最近的報(bào)道中,Errandonea 等[17]重新進(jìn)行了LHDAC 加載下的熔化溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)量,并結(jié)合DFT 計(jì)算,所得的新靜壓熔化線較原有報(bào)道更高,同時(shí)較原有沖擊熔化線更低;Zhang 等[30]利用AIMD 方法,對(duì)470 GPa 內(nèi)熔化線進(jìn)行了計(jì)算,得到新的理論熔化線;Zhang 等[19]利用LH-DAC 加載技術(shù)結(jié)合同步輻射XRD 衍射測(cè)量、二級(jí)輕氣炮動(dòng)高壓加載技術(shù)結(jié)合沖擊溫度測(cè)量以及從頭算分子動(dòng)力學(xué)結(jié)合密度泛函理論計(jì)算,對(duì)釩的熔化線進(jìn)行了精細(xì)研究,給出了動(dòng)態(tài)與靜態(tài)加載熔化線基本一致的結(jié)果.將本文結(jié)果與近期報(bào)道比較(見圖9),DXRD 測(cè)量的非晶態(tài)區(qū)域恰好處于新給出的熔化線附近,從原位微觀結(jié)構(gòu)演化觀測(cè)到的釩的沖擊熔化的角度,為新的熔化線及動(dòng)靜壓熔化線統(tǒng)一認(rèn)識(shí)提供了可靠的微觀證據(jù).

圖9 釩動(dòng)-靜高壓熔化線的統(tǒng)一相圖[1,2,17,19,30]Fig.9.The phase diagram of vanadium with melting curve at high pressure[1,2,17,19,30].

4 結(jié)論

作為動(dòng)/靜高壓熔化線幅值差異最大的典型材料,確定釩沖擊加載至靜壓熔化線附近及以上區(qū)域的物相結(jié)構(gòu)或形態(tài),探測(cè)它可能的相結(jié)構(gòu)變化以及至沖擊熔化發(fā)生的過(guò)程是深入理解過(guò)渡金屬動(dòng)/靜固-液相界差異及物理機(jī)制的必要基礎(chǔ).本文利用高功率激光驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)X 射線衍射技術(shù),實(shí)現(xiàn)了沿沖擊路徑200 GPa 內(nèi)釩相結(jié)構(gòu)的原位測(cè)量,獲取了釩在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中晶體結(jié)構(gòu)變化的直接圖像:確認(rèn)了釩在沖擊加載60 GPa 附近的結(jié)構(gòu)為bcc 結(jié)構(gòu);確認(rèn)了在原有DAC 熔化線的上方、沖擊熔化線的下方區(qū)域(155 GPa)仍保持為bcc 相固態(tài);結(jié)合最近文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)中新的動(dòng)、靜高壓熔化曲線相一致,為動(dòng)/靜高壓相界具有統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí)提供了直接的微觀證據(jù),確認(rèn)了200 GPa 內(nèi)釩的固-液相界.該研究成果的獲得,極大地拓展和豐富了后續(xù)工作的視野和思路,對(duì)進(jìn)一步理解和解釋過(guò)渡金屬的高壓熔化行為具有重要的科學(xué)意義.