冲击压缩下苯的液—固相变动力学特性研究

论文摘要

液-固相转变是自然界中普遍存在的现象之一,对相变过程的深入研究具有非常重要的科学意义。然而在动态加载条件下观测液-固相转变过程的实验方法仍有待发展和完善。苯在高压下发生液-固相变的快慢问题一直受到人们关注,并长期存在争议。本文利用一级轻气炮加载技术和最近发展的一种透光性在线测量技术,首次实时在线观测到液态苯在多次冲击压缩过程中透光性随时间变化特征。分析表明,导致透光性下降的原因是界面处局部发生液—固相变而引起的光散射效应,且散射特征反映了相变过程的时间弛豫特性,为相变动力学研究提供了重要依据。本文也为深入研究其它透明液体的相变动力学问题,提供了一种可靠性好、灵敏度高、实用性强的实验方法。本文得到如下几个结论：1.在准等熵加载过程中,采用光透射在线测量技术首次观测到了液态苯的液-固相变过程,发现相转变在纳秒时间尺度即发生,且整个过程持续时间超过1脚。2.热力学计算所得的多次冲击时间点与实验信号中的透射率变化明显的位置符合较好。即在冲击波第一次冲击（0.94Gpa,170℃）样品时,样品的透射率没有发生变化；在被第二次冲击（1.94GPa,240℃）后,样品的透射率开始下降,未观测到明显滞后现象。借助相图和热力学计算发现,在第二次冲击加载下,样品苯的温压状态已经跨入到其固相区,即已达到发生液-固相变的温压条件。因此本文认为实验中所观察到的液态苯在冲击波作用透射率下降现象是由过冷度驱使而发生成核并长大引起。3.借助相变动力学模型,对苯在多次冲击过程中的成核长大特性进行初步探讨。发现结晶过程包括早期的冲击成核和后期的过冷成核长大过程,且该过程是一个与时间有关的积累效应。通过实验数据拟合方法,本文首次给出冲击成核密度、过冷成核速率、过冷线性长大速率与成核的临界半径之间的数量关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究高压下苯的液-固相变的科学意义
• 1.2 苯的高压相变研究历史及现状
• 1.2.1 静高压实验研究
• 1.2.2 动高压实验研究
• 1.3 存在的问题和本文拟解决的思路
• 1.3.1 问题归纳
• 1.3.2 本文的研究内容、方法及拟解决的思路
• 1.4 本文章节简介
• 第2章 实验原理与方法
• 2.1 引言
• 2.2 冲击加载原理与测试方法
• 2.2.1 一级轻气炮的实验原理
• 2.2.2 弹速测量方法
• 2.2.3 辐射高温计及示波器测试系统
• 2.3 光散射测试方法
• 2.3.1 光的散射理论简介
• 2.3.2 高压下光散射测试方法
• 2.4 多次冲击的实验原理
• 2.4.1 多次冲击过程概述
• 2.4.2 基板等熵膨胀与样品第一次冲击压缩过程
• 2.4.3 冲击波在基板/样品界面反射过程
• 2.4.4 冲击波在样品/窗口界面反射过程
• 2.4.5 多次冲击状态下对应温度的计算
• 2.5 相变动力学理论简介
• 2.5.1 相变动力学
• 2.5.2 晶核形成及长大
• 2.5.3 形核机理简介
• 2.5.4 温度、外力与成核的关系
• 第3章 冲击高压下在线光透射测量新技术
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置的设计、安装及优点
• 3.2.1 Gupta等人的实验方法及其存在的问题
• 3.2.2 实验装置
• 3.2.2.1 实验装置的设计
• 3.2.2.2 实验装置的安装
• 3.2.2.3 实验装置的优点
• 第4章 实验信号与分析
• 4.1 引言
• 4.2 实验中各个材料的相关参量
• 4.3 冲击加载的实验信号
• 4.3.1 实验结果
• 4.3.2 多次冲击过程中的时间计算
• 4.3.3 多次冲击下不同压力的实验信号
• 4.4 苯样品在多次冲击压缩下的典型实验信号分析与讨论
• 4.4.1 界面屏蔽实验信号及分析
• 4.4.2 实验误差分析
• 第5章 相变动力学特性探讨
• 5.1 引言
• 5.2 相变动力学模型
• 第6章 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文