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LiF单晶冲击高压热导率研究

作　者: 赵万广
导　师: 周显明
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 凝聚态物理
关键词: LiF单晶冲击高压液体夹心法热导率 Roufosse公式
分类号: O521
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

高温高压条件下绝缘介电晶体热导率测量是高压物理、地球物理和材料物理研究领域的一个重要课题。根据Debye理论,绝缘介电晶体通过声子扩散导热,导热过程受声子非谐作用影响,因此,研究物质在高温高压条件下的热导率,可以加深对绝缘介电晶体高压导热现象及声子非谐作用的理解与认识。对高压物理研究而言,目前冲击压缩极端高温高压条件下样品材料的热导率测量技术仍然非常不成熟,高压热导率数据十分缺乏,已成为制约和限制发展金属等非透明材料冲击波温度测量技术以及完全物态方程研究的一个关键因素。对地球科学而言,地球及行星内部的物质组成及其状态深受热流影响,应用和发展与热量传输有关的地球动力学模型,理解和认识地核温度的热力学演化与地球内部的温度分布都需要相应条件下的热导率知识。因此,发展和完善一种高压热导率测量技术对材料热输运性质研究、非透明材料冲击温度测量和地球动力学模型发展均有着重要的物理意义和应用价值。本文在Ahrens研究小组工作的基础上改进并完善了夹心法热导率测量技术。通过采用CHBr3液体作为夹心层,LiF单晶作为窗口材料,提高了夹心法热导率测量技术的成熟度,如：利用液体的流动性实现了样品/窗口界面的理想接触,消除了原夹心法热导率测量实验中间隙发光对界面热辐射信号的干扰；利用冲击波作用下CHBr3高温热辐射近乎黑体的特性,在现有可见光高温计测温范围内,有效拓宽了夹心法热导率测量技术的压力下限；利用冲击发光和消光相对较弱,其透明性得以公认的LiF单晶作为窗口材料,简化了样品/窗口界面热辐射信号波形的解读与分析。实验利用DPS测试技术,发展了一套微米级厚度的原位、实时测量方法,结合多通道光纤瞬态高温计,实测了CHBr3/LiF界面热弛豫衰减过程,对液体夹心法下LiF单晶冲击高压热导率测量进行了理论分析,建立了一套通过界面温度历史曲线获得绝对高压热导率系数的有效数据分析方法,并通过数值拟合,分别获得了-39GPa、-70GPa和-100GPa三个压力点下的LiF单晶冲击高压热导率数据。在实测LiF单晶冲击高压热导率数据的基础上,结合Holland报道的LiF单晶冲击高压热导率结果(Holland K G, et al. Geophysical Monograph.1998,101:335),本文对现有热导率理论模型进行了研究和探讨,结果表明：在γ/γ0=(ρ0/ρ)2时,修正后的Roufosse理论公式与实验数据符合较好,这一结果将为非透明材料冲击波温度测量中的热传导修正提供重要参考。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章引言  8-22
  1.1 高温高压热导率研究背景和意义  8-9
  1.2 理论研究  9-13
    1.2.1 声子气模型  9-11
    1.2.2 唯象模型  11
    1.2.3 声子谱模型  11-12
    1.2.4 不同热传导方程式的比较  12-13
  1.3 实验研究  13-17
    1.3.1 静高压加载下热导率测量  13-14
    1.3.2 常压热导率测量  14-15
    1.3.3 动高压加载下热导率测量  15-17
    1.3.4 不同加载形式下热导率实验技术比较  17
  1.4 本章小结  17-18
  参考文献  18-22
第二章动高压实验技术  22-30
  引言  22
  2.1 动高压加载技术  22-23
    2.1.1 二级轻气炮加载技术  22
    2.1.2 化爆装置加载技术  22-23
  2.2 压力诊断技术  23-25
    2.2.1 磁测速系统  23-24
    2.2.2 DPS(Doppler Pin System)系统  24-25
  2.3 温度诊断技术  25-27
    2.3.1 高温计结构及标定  25-27
    2.3.2 温度确定  27
  2.4 薄夹层厚度测量  27-28
  2.5 本章小结  28-29
  参考文献  29-30
第三章液体夹心法热导率测量技术  30-42
  引言  30
  3.1 液体夹心法  30-32
    3.1.1 组合靶结构  30-31
    3.1.2 LiF透明性  31
    3.1.3 CHBr_3冲击压缩特性  31-32
  3.2 液体夹心法波系分析  32-38
    3.2.1 实验压力及其不确定度计算  32-34
    3.2.2 冲击压缩下LiF密度及其不确定度计算  34-35
    3.2.3 夹心层波系分析  35-37
    3.2.4 CHBr_3层厚度及其不确定度计算  37-38
  3.3 LiF窗口冲击波温度与比热容估算  38-40
  3.4 本章小结  40
  参考文献  40-42
第四章 LiF单晶冲击高压热导率研究  42-55
  引言  42
  4.1 实验方法  42-43
  4.2 实验结果  43-46
  4.3 数据分析  46-50
    4.3.1 三层介质热传导模型  46-47
    4.3.2 数值拟合  47-49
    4.3.3 影响界面热弛豫过程的实验因素分析  49-50
  4.4 热导率模型讨论  50-53
    4.4.1 LiF单晶冲击高压热导率及其不确定度分析  50-51
    4.4.2 高压热导率讨论  51-53
  4.5 本章小结  53
  参考文献  53-55
第五章结论与展望  55-58
  引言  55
  5.1 全文总结  55
  5.2 工作展望  55-57
    5.2.1 液体层测厚技术的改进  55-57
  参考文献  57-58
发表论文  58-60
致谢  60

LiF单晶冲击高压热导率研究

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