intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu nhiệt độ nóng chảy của các kim loại dưới áp suất cao

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:74

Thêm vào BST
Báo xấu
149
lượt xem 4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu: Tiên đoán được nhiệt độ nóng chảy của các kim loại dưới áp suất cao từ đó biểu diễn được đường cong nóng chảy của một số kim loại điển hình như Cu, Ag, Au, Fe và nhiều kim loại khác. So sánh giá trị tính toán lý thuyết và số liệu thực nghiệm để kiểm tra lý thuyết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu nhiệt độ nóng chảy của các kim loại dưới áp suất cao

  1. Luận văn thạc sỹ LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân   thành, sâu sắc đến TS. Hồ Khắc Hiếu đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ em trong  suốt quá trình làm luận văn. Em xin cảm  ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật lí Trường Đại Học Khoa   học Tự nhiên nói chung và các thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý lý thuyết nói   riêng đã hết lòng dạy bảo em trong suốt hai năm học tập và rèn luyện vừa qua. Tôi xin cảm  ơn các thầy trong ban giám hiệu Trường THPT Chúc Động­  Chương Mỹ­ Hà Nội, cùng toàn thể  các thầy cô giáo, các anh chị  và các bạn   đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để  tôi có thể  học  tập trong thời gian 2 năm qua cũng như  hoàn thành luận văn  này. Xin cảm ơn gia đình, các anh chị và các bạn đã luôn giúp đỡ, ủng hộ, động  viên, chia sẻ những khó khăn cùng tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận   văn.  Tác giả Nguyễn Ngọc Hà [Type text]
  2. Luận văn thạc sỹ                                                    MỤC LỤC  DANH MỤC BẢNG BIỂU                                                                                         .....................................................................................      6  Tên bảng                                                                                                                      ..................................................................................................................      6  Nội dung                                                                                                                      ..................................................................................................................      6  Trang                                                                                                                            ........................................................................................................................      6  Bảng 3.1                                                                                                                       ...................................................................................................................      6 Giá trị áp suất chuyển pha cấu trúc nhiệt độ nóng chảy ở áp suất P =0 của   các kim loại                                                                                                                  ..............................................................................................................      6  31                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      6  Bảng 3.2                                                                                                                       ...................................................................................................................      6 Các thông số làm khớp q và  của nhóm Graf theo công thức (16) cho hai kim   loại Au và Cu                                                                                                               ...........................................................................................................      6  32                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      6  Bảng 3.3                                                                                                                       ...................................................................................................................      6 Giá trị làm khớp K0 và bằng phương pháp bình phương tối thiểu của các   kim loại Ag, Au và Cu                                                                                                ............................................................................................      6  35                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      6  Bảng 3.4                                                                                                                       ...................................................................................................................      6 Sự phụ thuộc thể tích của các đại lượng vật lý của ϵ ­Fe ở nhiệt độ T = 300   K                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      6 Khoa Vật lý 
  3. Luận văn thạc sỹ  43                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      6  DANH MỤC HÌNH VẼ                                                                                              ..........................................................................................      7  Tên hình                                                                                                                       ...................................................................................................................      7                                     Nội dung                                                                                    ................................................................................      7  Trang                                                                                                                            ........................................................................................................................      7  Hình 1.1                                                                                                                        ....................................................................................................................      7  Phương pháp ô mạng đế kim cương                                                                       ...................................................................      7  8                                                                                                                                     .................................................................................................................................      7  Hình 3.1                                                                                                                        ....................................................................................................................      7 Đồ thị sự phụ thuộc hệ số nén V/V0 của nhiệt độ nóng chảy của các kim   loại                                                                                                                                ............................................................................................................................      7  34                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      7  Hình 3.2                                                                                                                        ....................................................................................................................      7  Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của nhiệt độ nóng chảy của kim loại Au             .........      7  37                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      7  Hình 3.3                                                                                                                        ....................................................................................................................      7  Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của nhiệt độ nóng chảy của kim loại Au             .........      7  39                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      7  Hình 3.4                                                                                                                        ....................................................................................................................      7 Khoa Vật lý 
  4. Luận văn thạc sỹ  Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của nhiệt độ nóng chảy của Ag                             .........................      7  40                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      7  Hình 3.5                                                                                                                        ....................................................................................................................      7  Giản đồ pha của Fe                                                                                                    ................................................................................................      7  42                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      7  Hình 3.6                                                                                                                        ....................................................................................................................      7  Hệ số Grüneisen thực nghiệm và lý thuyết của kim loại Fe                                ............................      7  43                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      7  Hình 3.7                                                                                                                        ....................................................................................................................      7  Đường cong P­V ở nhiệt độ T = 300K của kim loại Fe                                         .....................................      7  45                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      7  Hình 3.8                                                                                                                        ....................................................................................................................      8 Đồ thị sự phụ thuộc hệ số nén V/V0 của nhiệt độ nóng chảy của kim loại   Fe                                                                                                                                  ..............................................................................................................................      8  46                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      8  Hình 3.9                                                                                                                        ....................................................................................................................      8  Đồ thị sự phụ thuộc áp suấtcủa nhiệt độ nóng chảy của kim loại         ϵ ­Fe   đến áp suất 350 GPa                                                                                                  ..............................................................................................      8  48                                                                                                                                   ...............................................................................................................................      8 Khoa Vật lý 
  5. Luận văn thạc sỹ  MỞ ĐẦU                                                                                                                      ..................................................................................................................      1  Chương 1                                                                                                                     .................................................................................................................      5  HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY VÀ                                                                            ........................................................................      5  CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU                                                                    ................................................................      5  Chương 2                                                                                                                   ...............................................................................................................       20 NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘ NÓNG CHẢY CỦA   VẬT LIỆU DƯỚI ÁP SUẤT CAO                                                                          ......................................................................       20  Chương 3                                                                                                                   ...............................................................................................................       34  TÍNH TOÁN SỐ VÀ THẢO LUẬN                                                                        ....................................................................       34  KẾT LUẬN                                                                                                                ............................................................................................................       56  DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐàĐƯỢC CÔNG BỐ                                  ..............................       58  TÀI LIỆU THAM KHẢO                                                                                        ....................................................................................       60 Khoa Vật lý 
  6. Luận văn thạc sỹ DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng Nội dung Trang Bảng 3.1 Giá trị áp suất chuyển pha cấu trúc nhiệt độ nóng chảy ở   31 áp suất P =0 của các kim loại Bảng 3.2 Các thông số làm khớp q và  γ 0  của nhóm Graf theo công   32 thức (16) cho hai kim loại Au và Cu Bảng 3.3 Giá trị làm khớp K0 và K 0 bằng phương pháp bình   35   phương tối thiểu của các kim loại Ag, Au và Cu Bảng 3.4 Sự phụ thuộc thể tích của các đại lượng vật lý của ϵ­Fe   43 ở nhiệt độ T = 300 K Khoa Vật lý 
  7. Luận văn thạc sỹ DANH MỤC HÌNH VẼ Tên                                     Nội dung Tran hình g Hình  Phương pháp ô mạng đế kim cương 8 1.1 Hình  Đồ thị sự phụ thuộc hệ số nén V/V 0 của nhiệt độ nóng chảy của   34 3.1 các kim loại Hình  Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của nhiệt độ nóng chảy của kim loại   37 3.2 Au Hình  Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của nhiệt độ nóng chảy của kim loại   39 3.3 Au Hình  Đồ thị sự phụ thuộc áp suất của nhiệt độ nóng chảy của Ag 40 3.4 Hình  Giản đồ pha của Fe 42 3.5 Hình  Hệ số Grüneisen thực nghiệm và lý thuyết của kim loại Fe 43 3.6 Hình  Đường cong P­V ở nhiệt độ T = 300K của kim loại Fe 45 3.7 Khoa Vật lý 
  8. Luận văn thạc sỹ Hình  Đồ thị sự phụ thuộc hệ số nén V/V 0 của nhiệt độ nóng chảy của   46 3.8 kim loại Fe Hình   Đồ thị sự phụ thuộc áp suấtcủa nhiệt độ nóng chảy của kim loại   48 3.9 ϵ­Fe đến áp suất 350 GPa Khoa Vật lý 
  9. Luận văn thạc sỹ MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài        Trong những năm gần đây nền khoa học và công nghệ  của thế giới phát  triển rất mạnh, đặc biệt là ngành khoa học vật liệu. Vì vậy việc nghiên cứu  và hiểu biết các tính chất cơ, nhiệt, điện, quang,… của vật liệu là yêu cầu cấp  thiết, thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học nói chung cũng như  các   nhà vật lý nói riêng. Đối với các tính chất nhiệt động của vật rắn, nhiệt độ  nóng chảy  ở  áp suất cao là một trong các hướng nghiên cứu liên ngành được   chú ý bởi sự quan trọng của nó trong lĩnh vực khoa học vật liệu, địa vật lý, vật   lý địa cầu và vật lý thiên văn. Nói chung do khả  năng dẫn điện, dẫn nhiệt và cấu trúc điện tử  của mỗi   kim loại là khác nhau, vì vậy nhiệt độ  nóng chảy của chúng cũng khác nhau.   Ngoài ra, nhiệt độ  nóng chảy của các kim loại cũng chịu  ảnh hưởng lớn của  áp suất bên ngoài. Cho đến nay, có rất nhiều phương pháp nghiên cứu đã được  sử  dụng để  nghiên cứu  ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ  nóng chảy của  kim loại như phương pháp thực nghiệm (ô mạng đế kim cương), phương pháp  phiếm hàm mật độ, phương pháp bán thực nghiệm. Tuy nhiên các phương  pháp này còn rất nhiều hạn chế như: Các biểu thức toán học cồng kềnh, phức   tạp, khó khăn khi đưa ra các số  liệu thực nghiệm, sai số  lớn. Vì vậy việc  nghiên cứu nhiệt độ nóng chảy của các kim loại dưới áp suất đặc biệt là dưới   áp suất cao vẫn còn là vấn đề thời sự đối với nhà nghiên cứu và thực nghiệm.   Vì các lý do đó, chúng tôi chọn bài toán “Nghiên cứu nhiệt độ nóng chảy của   các kim loại dưới áp suất cao” làm đề tài của luận văn.      II. Đối tượng nghiên cứu Khoa Vật lý  1
  10. Luận văn thạc sỹ Đối tượng nghiên cứu của luận văn này là các kim loại chuyển tiếp Cu,   Ag, Au, Fe. Chúng tôi sẽ xác định nhiệt độ nóng chảy dưới áp suất cao của các  kim loại này, từ đó vẽ được đường biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ theo  áp suất và phụ thuộc vào hệ số nén V/V0  của nhiệt độ. III. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu     Tiên đoán được nhiệt độ  nóng chảy của các kim loại dưới áp suất cao từ  đó biểu diễn được đường cong nóng chảy của một số kim loại điển hình như  Cu, Ag, Au, Fe và nhiều kim loại khác. So sánh giá trị tính toán lý thuyết và số  liệu thực nghiệm để kiểm tra lý thuyết. IV. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp nghiên cứu của luận văn là phương pháp bán thực nghiệm,  dựa trên điều kiện nóng chảy Lindemann và sự  phụ  thuộc áp suất của hệ  số  Grüneisen để  xây dựng biểu thức giải tích của nhiệt độ  nóng chảy. Sử  dụng  các số liệu thực nghiệm và biểu thức giải tích lý thuyết thu được để xác định   đường cong nóng chảy của các kim loại điển hình như Cu, Ag, Au, Fe. V.  Đóng góp của đề tài Đối tượng nghiên cứu của luận văn là loại vật liệu đang được sử  dụng   rộng rãi. Các kết quả  thu được góp phần hoàn thiện và phát triển các  ứng   dụng của điều kiện Lindemann về  nóng chảy và hệ  số  Grüneisen trong việc  nghiên cứu các tính chất của vật liệu đặc biệt là nhiệt độ  nóng chảy dưới áp  suất cao. Luận văn này cũng gợi mở  phương pháp trên để  nghiên cứu các loại vật  liệu khác. VI. Cấu trúc của luận văn Khoa Vật lý  2
  11. Luận văn thạc sỹ Luận văn này được cấu trúc gồm phần mở đầu, ba chương, phần kết luận  và tài liệu tham khảo Chương 1. Hiện tượng nóng chảy và các phương pháp nghiên cứu Nội dung của chương này trình bày vắn tắt kiến thức về  hiện tượng  nóng chảy của kim loại  và các phương pháp để nghiên cứu. Mỗi phương pháp   đều có những đặc điểm riêng để  nghiên cứu về  hiện tượng nóng chảy, và  trong   số   các   phương   pháp   cũng   có  phương   pháp  hay   dùng   hiện   nay   đó   là  phương   pháp   thống   kê   momen,   tuy   nhiên   trong   luận   văn   này   tôi   áp   dụng   phương pháp khác để  nghiên cứu nhiệt độ  nóng chảy của kim loại dưới áp  suất cao đó là giới hạn Lindemann và hệ số Grüneisen. Chương 2. Nghiên cứu nhiệt độ nóng chảy của vật liệu dưới áp suất cao Phần đầu chương này tôi trình bày những nét chính về   Mô hình Debye  trong nghiên cứu tính chất nhiệt động của vật liệu và giới hạn Lindemann   trong nghiên cứu hiện tượng nóng chảy của kim loại. Từ đó, kết hợp với biểu thức sự phụ thuộc áp suất của hệ số Grüneisen  chúng tôi thiết lập được biểu thức giải tích của nhiệt độ nóng chảy Tm như là  một hàm của thể tích.Dựa trên phương trình trạng thái Vinet, chúng tôi nghiên  cứu được ảnh hướng của áp suất đến nhiệt độ nóng chảy Tm. Chương 3. Tính toán số và thảo luận        Trong chương này, trên cơ sở biểu thức giải tích của nhiệt độ nóng chảy   Tm  thu được  ở  chương 2 và phương trình trạng thái Vinet của tinh thể, chúng  tôi sẽ thực hiện tính toán số  và thảo luận cho các kim loại chuyển tiếp đồng   (Cu), vàng (Au), bạc (Ag) và sắt (Fe).  Ảnh hưởng của thể tích và áp suất đến   nhiệt độ nóng chảy Tm của các kim loại này sẽ được chúng tôi nghiên cứu đến   giá trị hệ số nén  V V0 = 0,5  và đến áp suất tương ứng. Khoa Vật lý  3
  12. Luận văn thạc sỹ         Từ các đồ thị sự phụ thuộc áp suất của nhiệt độ của các kim loại Cu, Ag,  Au, Fe tôi đưa ra được kết quả và thảo luận kết quả. Khoa Vật lý  4
  13. Luận văn thạc sỹ Chương 1 HIỆN TƯỢNG NÓNG CHẢY VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong chương này, chúng tôi giới thiệu tổng quan về  hiện tượng nóng  chảy của vật liệu nói chung và kim loại nói riêng và một số  phương pháp  nghiên cứu hiện tượng nóng chảy như  phương pháp thực nghiệm ô mạng đế  kim cương, phương pháp mô phỏng, phương pháp thống kê mômen. 1.1. Tổng quan về hiện tượng nóng chảy Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên các tính chất nhiệt động của các   hệ vật liệu là một đề tài thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học, đặc   biệt là trong lĩnh vực khoa học vật liệu, địa vật lý, thiên văn vật lý,… Với sự  phát triển của khoa học và kỹ  thuật trong những năm gần đây, các nhà thực  nghiệm đã có thể đo đạc được các đại lượng nhiệt động của các vật liệu dưới  áp suất rất cao (khoảng hàng chục đến hàng trăm GPa). Do đó, việc nghiên   cứu lý thuyết các tính chất nhiệt động của các vật liệu dưới  ảnh hưởng của   áp suất là vấn đề khá cấp thiết. Một trong những đại lượng nhiệt động quan trọng của vật liệu, thu hút  được sự quan tâm của nhiều nhà vật lý áp suất cao là nhiệt độ nóng chảy của   vật liệu đó. Nóng chảy là quá trình vật liệu chuyển từ thể rắn sang thể lỏng  hay còn gọi là sự chuyển pha (loại 1) của chất đó. Nhiệt độ  nóng chảy là giá   trị nhiệt độ mà tại đó quá trình chuyển pha của vật liệu bắt đầu xảy ra. Khi có sự thay đổi trạng thái của vật liệu thì thể  tích của vật liệu tăng  do dó nhiệt độ  của vật liệu cũng thay đổi.Ở  áp suất  P = 0 thì nhiệt độ  nóng  chảy của vật liệu là T0. Khi áp suất tăng  P 0  thì nhiệt độ của vật liệu cũng  Khoa Vật lý  5
  14. Luận văn thạc sỹ tăng,tuy nhiên đối với mỗi vật liệu luôn có một nhiệt độ  nóng chảy xác định  đối với áp suất cho trước. Có nhiều cách thức tiếp cận khác nhau trong nghiên cứu ảnh hưởng của  áp suất đến nhiệt độ  nóng chảy của vật liệu như  phương pháp mô phỏng  động   học   phân   tử   [48],   phương   pháp  ab   inito  [15,46],   phương   pháp   thực  nghiệm (ô mạng đế  kim cương, thủy lực) [17,22,28], phương pháp thống kê   mômen [8]... Sự  phụ  thuộc của nhiệt độ  nóng chảy vào áp suất  P  dọc theo đường  cân bằng tinh thể  ­ chất lỏng được mô tả  tốt bởi phương trình thực nghiệm   Simon. ln(P+a) = clnTm + b      (1.1) trong đó P và Tmtương  ứng là áp suất và nhiệt độ  nóng chảy. Hệ  số a, b, c là  các hệ số tìm được từ thực nghiệm.Tuy nhiên, phương trình này không thể mô   tả sự nóng chảy của tinh thể ở áp suất cao.Về mặt lí thuyết, để xác định nhiệt  độ nóng chảy của tinh thể chúng ta phải sử dụng điều kiện cân bằng của pha   lỏng và pha rắn. Trong thực tế cho thấy phương trình (1.1) là phương trình tuy  đơn giản nhưng khó xác định được hệ  số  a, b, c và không thể  đồng nhất các  hệ số của nó với các tính chất vật lý nào đó của đối tượng nghiên cứu.Do đó,  việc nghiên cứu nhiệt độ nóng chảy vẫn còn là một vấn đề chưa kết thúc đối  với nhiều nhà khoa học có liên quan. Ngoài phương trình Simon, người ta còn dùng hệ  thức giữa nhiệt độ  nóng chảy Tm và áp suất P có thể xác định theo hệ thức Krant ­ Kerudy:  ∆V Tm = T0 ( 1 + C )      (1.2) V0 Khoa Vật lý  6
  15. Luận văn thạc sỹ trong đó T0 và Tm tương ứng là nhiệt độ nóng chảy tương ứng với áp suất  P =  ∆V 0 và áp suất P ≠ 0;   là độ nén ở nhiệt độ phòng; C là hệ số). V0 Hệ   thức  giữa  Tm    và  P  còn  có  thể  mô  tả   bởi công thức  Reynolds  ­  Faughman Barku ∆Tm 1  = 2 (  ­  ) (1 + C2XTP)  m (1.3) T0 X T P 3 ở đây  m  là thông số Grüneisen ở điểm nóng chảy, XT là hệ số nén đẳng nhiệt,  a2 ∆  với a1, a2 là các hệ số trong hệ thức độ nén  − V = a1P + a2 P . 2 C2 =  a1 V0 Kumari và đồng sự [30] đưa ra một phương trình thực nghiệm khác để  xác định nhiệt độ  nóng chảy của tinh thể  và áp dụng tốt ngay  ở  áp suất cao.   Đó là hệ thức Kumrai – Dass: �T � −2η P 2 � 1 �� BT � ln �m �= + γ (0, T ) − + δ ln 1 � + � (1.4) BT � � G 0 �T0 � BT � 3 � � BT (0, T0 ) � Trong đó:  , BT là các hằng số  ở nhiệt độ  T0 có liên quan tới việc xác  η BT (0, T0 ) định  G (P, T) và BT (P, T);   =  . BT Một điều đáng quan tâm là nhiệt độ  TS  tương  ứng với giới hạn bền   vững tuyệt đối của trạng thái tinh thể ở áp suất thấp nhất định, nằm không xa  nhiệt độ  nóng chảy Tm cho nên [3] đã đồng nhất đường cong nóng chảy với  đường cong bền vững tuyệt  đối của tinh thể. Cũng theo ý tưởng đó bằng  phương pháp trường phonon tự  hợp [2,43] và phương pháp hàm phân bố  một  Khoa Vật lý  7
  16. Luận văn thạc sỹ hạt [14] các tác giả  cũng đã nghiên cứu bài toán nóng chảy của tinh thể dưới  áp suất cao. Tuy nhiên kết quả  thu được trong [43] lớn hơn nhiệt độ  nóng  chảy thu được từ  thực nghiệm tới 3 đến 4 lần,còn trong [14] thì lớn hơn 1,3   đến 1,6 lần . Vì lý do đó, các tác giả này cho rằng không thể tìm nhiệt độ nóng  chảy bằng cách dùng giới hạn bền vững tuyệt đối chỉ  của pha rắn. Để  cải  thiện, Bazarow đã sử dụng hiệu ứng tương quan nhằm bổ sung vào hàm phân  bố một hạt trong việc hiệu chỉnh nhiệt độ tới hạn bền vững tuyệt đối đối với   tinh thể  [19]. Tuy vậy, kết quả thu được cũng chỉ  giới hạn trong phạm vi áp   suất thấp.  Tuy nhiên, có thể chỉ dùng 1 pha rắn cũng xác định được nhiệt độ nóng  chảy của tinh thể. Cũng như  [3],trước hết xác định nhiệt độ  giới hạn bền  vững tuyệt đối của tinh thể. Sau đó, vì nhiệt độ  nóng chảy không khác xa  nhiệt độ  giới hạn TS  ứng với sự  bền vững tuyệt đối của tinh thể,nên thực   hiện một sự hiệu chỉnh sẽ thu được kết quả phù hợp tốt với thực nghiệm. Về  mặt lý thuyết, để  xác định nhiệt độ  nóng chảy chúng ta phải sử  dụng điều kiện cân bằng của pha lỏng và pha rắn (sự nóng chảy của chất rắn   được biết đến như  là sự  gián đoạn đầu tiên của sự  chuyển pha xuất hiện tại   nhiệt độ  giới hạn nơi mà năng lượng tự  do Gibbs của trạng thái rắn và lỏng   cân bằng nhau. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà nghiên cứu chưa tìm được   biểu thức tường minh của nhiệt  độ  nóng chảy   theo cách này.Do đó, việc  nghiên cứu nhiệt độ nóng chảy vẫn còn là một vấn đề  chưa kết thúc đối với   nhiều nhà nghiên cứu. Hàng loạt các phương pháp tính toán gián tiếp khác đã  được phát triển để tiên đoán nhiệt độ nóng chảy của vật liệu với các độ chính   xác, kinh nghiệm và độ  phức tạp khác nhau. Lấy ví dụ, người ta xây dựng  biểu thức năng lượng tự do phụ thuộc nhiệt độ của các pha rắn và lỏng riêng  biệt; sau đó, xác định giá trị  nhiệt độ  tại đó có cùng giá trị  năng lượng tự  do.   Đây chính là điểm nóng chảy của vật liệu khi nó chuyển từ pha rắn sang pha   Khoa Vật lý  8
  17. Luận văn thạc sỹ lỏng. Một phương pháp khác đã được sử dụng trong nghiên cứu nhiệt độ nóng   chảy của silicon và nhôm liên quan đến hằng số  gradient nhiệt độ  (Constant   temperature gradient – CTG) theo một phương của tinh thể cho phép ngoại suy  ra giá trị  nhiệt độ  nóng chảy dựa trên vị  trí của bề  mặt rắn lỏng. Ta đã biết  cho đến thời điểm hiện tại vật liệu silicon đã trở  nên phổ  biến trên toàn thế  giới,có mặt trong hầu hết các thiết bị  điện tử  hiện đại,Vì vậy mà đã có rất   nhiều nghiên cứu về loại vật liệu này trên cả phương diện lý thuyết lẫn thực   nghiệm. Trong giải tích vectơ gradient của một trường vô hướng là một trường  vectơ  có chiều hướng về phía mức độ  tăng lớn nhất của trường vô hướng,và  có độ lớn là mức độ thay đổi lớn nhất. Dưới đây, chúng tôi trình bày sơ lược một số phương pháp nghiên cứu  được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu nhiệt độ nóng chảy của các vật liệu  dưới áp suất cao. 1.2. Các phương pháp nghiên cứu nóng chảy 1.2.1. Phương pháp ô mạng đế kim cương (Diamond anvil cell ­ DAC) Phương pháp ô mạng đế kim cương là phương pháp sử  dụng ô đế  kim  cương để nén một mẫu vật liệu có kích thước nhỏ (bé hơn milimet) mảnh vật   liệu áp lực cực đoan,có thể vượt quá 300GP (3000.000 quán bar/2.960.770 bầu   khí quyển) [18] đến áp suất siêu cao. Trong những năm gần đây, các nhà khoa   học đã có thể  làm những thí nghiệm với áp suất lên đến khoảng 400 giga   pascal (GPa).  Nguyên lý tạo ra áp suất cao của phương pháp ô mạng đế  kim cương   khá đơn giản, dựa trên định nghĩa của áp suất: F P= S Khoa Vật lý  9
  18. Luận văn thạc sỹ trong đó P là áp suất, F là giá trị lực tác dụng trên diện tích S của bề mặt vật  liệu. Khi diện tích bề mặt nhỏ, giá trị lực F lớn sẽ tạo ra áp suất lớn. Hình 1.1.Phương pháp ô mạng đế kim cương [37]. Một thiết bị  ô mạng đế  kim cương bao gồm 2 đế  kim cương đặt đối   diện nhau,  ở  giữa là mẫu vật liệu cần nén (Xem hình 1.1). Áp suất có thể  được đo đạc và điều chỉnh bằng cách sử dụng một vật liệu chuẩn mà các tính  chất dưới áp suất cao của nó đã được biết.Thiết bị  này đã được sử  dụng để  tái tạo áp lực hiện sâu bên trong hành tinh,tạo ra vật liệu và giai đoạn không  quan sát thấy trong điều kiện bình thường.Ví dụ  đáng chú ý bao gồm không   phân tử băng X , Nitơ phân tử  và kim loại Xenon (một khí trơ ở áp suất thấp   hơi). Thông thường chuẩn áp suất được sử  dụng như  phổ  huỳnh quang ruby   và   các   kim   loại   có   cấu   trúc   đơn   giản   như   đồng   (Cu)   và   bạch   kim   (Pt)   [17].Trong phương pháp ô mạng đế  kim cương, áp suất thường được tạo ra   theo một trục. Để  tạo ra được áp suất thủy tĩnh tác dụng đồng đều lên mọi  phương của vật liệu, người ta đưa thêm một vật liệu để  truyền áp suất vào  giữa 2 đế  kim cương và mẫu đo như  argon, xenon, hydrogen, helium, dầu  paraffin hoặc hỗn hợp methanol và ethanol [16].  Vật liệu truyền áp suất này  sẽ được bao kín bởi một lớp đệm giữa hai đế kim cương. Với cách thức bố trí   thí nghiệm như vậy, chúng ta có thể quan sát, chiếu rọi mẫu đo bằng tia X hay   Khoa Vật lý  10
  19. Luận văn thạc sỹ ánh sáng nhìn thấy qua hai đế kim cương. Do đó, chúng ta có thể đo được các   hiện  tượng   nhiễu   xạ   tia   X,   phổ   huỳnh   quang,   phổ   hấp   thụ,   huỳnh   quang   hóa(photoluminescence), tán xạ  Mössbauer, tán xạ  Raman và tán xạ  Brillouin, …. dưới áp suất cao.Từ  trường và lò vi sóng có thể  được áp dụng bên ngoài   đến các tế bào cho phép cộng hưởng từ  hạt nhân, điện tử  cộng hưởng thuận   từ và phép đo từ tính khác .  Trong nghiên cứu hiện tượng nóng chảy của vật   liệu dưới áp suất cao, người ta cần tạo ra nguồn nhiệt để  đốt nóng vật liệu.  Cách thức thực hiện là đưa thêm vào các điện cực để  đốt nóng (nhiệt độ  có   thể  lên đến vài ngàn độ) hoặc sử  dụng nguồn laser đốt nóng chiếu qua vật   liệu (nhiệt độ có thể lên đến 7000 K)[22] có thể  đạt được với hệ thống sưởi   laser gây ra  và làm mát xuống millikelvins đã được chứng minh. 1.2.2. Phương pháp thống kê mômen Phương pháp thống kê moment được đề  xuất bởi nhóm tác giả  N. H.   Tăng và V. V. Hùng [35]. Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở thống kê  lượng tử [4], đã được áp dụng thành công trong các đại lượng nhiệt động của  vật liệu nói chung và nhiệt độ nóng chảy dưới áp suất cao nói riêng [5,6]. Ý tưởng của phương pháp thống kê mômen trong nghiên cứu nhiệt độ  nóng chảy của các vật liệu là dựa trên việc xác định  nhiệt độ  giới hạn bền  vững tuyệt đối Ts. Sử dụng phương pháp này, nhóm tác giả đã xây dựng được   biểu thức giải tích của phương trình trạng thái của tinh thể có dạng [1]: a U 0 3γ GTθ P=− . +                              6V a V              (1.5)  ở đây, U0 là tổng thế năng của hệ,  γ GT là hệ số Grüneisen.  Từ điều kiện giới hạn bền vững tuyệt đối của tinh thể là: Khoa Vật lý  11
  20. Luận văn thạc sỹ �P � hay � P �   (1.6) � � =0 � � =0                               � V � T   �a �T 3 γ GTθ a 3 − 9aγ GTθ �P � 1 �−2a U 0 1 2U 0 � a  = 0 � � = − � 4 . + 2 . 2 �+ �a � T 6 � a a a a � 6 a U a 2 2U θ. T . − . 2 + 3a. G − 9γ GT θ = 0 3 a 6a a a a U a 2 2U T (1.7) . = . 2 − 3aθ G + 9γ GTθ 3 a 6a a a a U0 Từ (1.7) ta có:  −2 PV + 6γ GT = (1.8)  3 a Do đó, biểu thức TS được xác định V �a U 0 � TS = � + P� (1.9) 3γ G k B �6V a T Sử dụng các thông số a, k,    ở chính nhiệt độ TS. Khi đó ta có công thức  biến đổi thành:  4k 2 � �a 2 2 2 u0 a 2trω �2 k 1 � k �� � 2� 2 � + � − � � �+ 2 PV � TS =  2 � k �� 6 a2 4k �a 2 2k � a �� � (1.10) kB a � �    �a � Trường hợp P = 0 ta có:  4k 2 � �a 2 u0 a 2 hω �2 k 1 � k �� 2 2 � � 2 � + � − � �� � TS =  2 � k �� 6 a 2 4k �a 2 2k � a ��� (1.11)  kB a � � �a � Vì nhiệt độ TS thường lớn nên có thể xem xcth = 1 do đó (1.11) cho ta:  Khoa Vật lý  12
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2428 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
4=>1