基于晶体三维点阵热振动物理力学分析的Mie-Grüneisen状态方程

李晓杰 闫鸿浩 王小红 王宇新 孙明

李晓杰, 闫鸿浩, 王小红, 王宇新, 孙明. 基于晶体三维点阵热振动物理力学分析的Mie-Grüneisen状态方程[J]. 高压物理学报, 2014, 28(3): 283-292. doi: 10.11858/gywlxb.2014.03.004
引用本文: 李晓杰, 闫鸿浩, 王小红, 王宇新, 孙明. 基于晶体三维点阵热振动物理力学分析的Mie-Grüneisen状态方程[J]. 高压物理学报, 2014, 28(3): 283-292. doi: 10.11858/gywlxb.2014.03.004
LI Xiao-Jie, YAN Hong-Hao, WANG Xiao-Hong, WANG Yu-Xin, SUN Ming. Mie-Grüneisen Equation of State Based on the Physical Mechanics Analysis of Three-Dimensional Lattice Thermal Vibration[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2014, 28(3): 283-292. doi: 10.11858/gywlxb.2014.03.004
Citation: LI Xiao-Jie, YAN Hong-Hao, WANG Xiao-Hong, WANG Yu-Xin, SUN Ming. Mie-Grüneisen Equation of State Based on the Physical Mechanics Analysis of Three-Dimensional Lattice Thermal Vibration[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2014, 28(3): 283-292. doi: 10.11858/gywlxb.2014.03.004

基于晶体三维点阵热振动物理力学分析的Mie-Grüneisen状态方程

doi: 10.11858/gywlxb.2014.03.004
基金项目: 国家自然科学基金(10972051, 11272081, 10872044, 10902023);教育部博士点基金(20090041110024)
详细信息
    作者简介:

    李晓杰(1963—), 男,教授,博士生导师,主要从事爆炸与冲击动力学研究.E-mail:dymat@163.com

  • 中图分类号: O521.21

Mie-Grüneisen Equation of State Based on the Physical Mechanics Analysis of Three-Dimensional Lattice Thermal Vibration

  • 摘要: 根据晶体结构建立了三维定容热振动的微观物理力学模型,由力学方程推导出了点阵热振动能量与外力的微观热振动的力学关系。在微观热振动关系中引入宏观统计物理量,直接从物理力学模型得到了Mie-Grüneisen固体状态方程和Grüneisen系数的表达式。根据晶体结构中的原子排列规律,对简单立方、面心立方、体心立方、金刚石立方晶体和理想密排六方晶体的Grüneisen系数的表达式进行了证明。结果表明,这些对称性晶体结构的Grüneisen系数与冷压具有统一的微分关系,与晶体结构无关。

     

  • 图  简单立方晶体中原子分布图

    Figure  1.  Atom coordinates in a simple cubic crystal

    图  原子在三维空间热振动物理力学模型

    Figure  2.  Thermal-vibration physical mechanical model of an atom in space

    图  体心立方(BCC)晶体

    Figure  3.  A body-centered cubic (BCC) crystal

    图  面心立方(FCC)晶体

    Figure  4.  A face-centered cubic (FCC) crystal

    图  金刚石立方晶体

    Figure  5.  A diamond cubic crystal

    图  密排六方晶体(HCP)

    Figure  6.  A close-packed hexagonal crystal

    图  HCP晶体横向挤压示意图

    Figure  7.  Transversely pressed hcp crystal

    表  1  部分晶体结构参数

    Table  1.   Structural parameters of crystals

    Crystal structure Number of atom
    in the unit cell
    Number of nearest
    neighbor atom na
    Crystal lattice
    constants
    Volume of
    an atom μr3
    Bearing area
    of a bond ηr2
    $\frac{6 \mu}{n_{\mathrm{a}} \eta}$
    Simple cubic 1 6 a=r μ=1 η=1 1
    Body-centered cubic (bcc) 2 8 $a=2 r / \sqrt{3}$ $\mu=4 \sqrt{3} / 9$ $\eta=\sqrt{3} / 3$ 1
    Face-centered cubic (fcc) 4 12 $a=\sqrt{2} r$ $\mu=\sqrt{2} / 2$ $\eta=\sqrt{2} / 4$ 1
    Diamond cubic 8 4 $a=4 r / \sqrt{3}$ $\mu=8 \sqrt{3} / 9$ $\eta=4 \sqrt{3} / 3$ 1
    Close-packed hexagonal (hcp) 2 12 $a=r, c=2 \sqrt{2} r / \sqrt{3}$ $\mu=\sqrt{2} / 2$ $\eta=\sqrt{2} / 4$ 1
    下载: 导出CSV
  • [1] Boehler R. Melting temperature, adiabats, and Grüneisen parameter of lithium, sodium and potassium versus pressure[J]. Phys Rev B, 1983, 27(11): 6754-6762. doi: 10.1103/PhysRevB.27.6754
    [2] 王继海.多项式形式Mie-Grüneisen物态方程及其等熵线[J].爆炸与冲击, 1992, 12(1): 1-9. http://www.cqvip.com/QK/94778X/19921/704710.html

    Wang J H. Polynomial form of Mie-Grüneisen equation of state and its isentropes[J]. Explosion and Shock Waves, 1992, 12(1): 1-9. (in Chinese) http://www.cqvip.com/QK/94778X/19921/704710.html
    [3] 张婷, 毕延, 赵敏光.静高压加载下LY12铝的超声测量与等温状态方程[J].高压物理学报, 2005, 11(1): 35-40. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/gywlxb200501007

    Zhang T, Bi Y, Zhao M G. Ultrasonic measurement and isothermal equation of state for LY12Al under static pressures[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2005, 11(1): 35-40. (in Chinese) http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/gywlxb200501007
    [4] Stacey F D, Davis P M. High pressure equations of state with applications to the lower mantle and core[J]. Phys Earth Planet Inter, 2004, 142(3/4): 137-184. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0031920104001049
    [5] Peng X C, Xing L L, Fang Z H. Comparing research on the pressure or volume dependence of Grüneisen parameter[J]. Physica B: Condensed Matter, 2007, 394(1): 111-114.
    [6] Dugdale J S, Macdonald D K C. The thermal expansion of solids[J]. Phys Rev, 1953, 89: 832-834. doi: 10.1103/PhysRev.89.832
    [7] 吴强.金属材料高压物态方程及Grüneisen系数的研究[D].绵阳: 中国工程物理研究院, 2004.

    Wu Q. Studies on equation of state and Grüneisen parameter for metals at high pressures and temperatures[D]. Mianyang: China Academy of Engineering Physics, 2004. (in Chinese)
    [8] Nagayama K. Cold potential energy function for solids based on the theoretical models for Grüneisen parameter[J]. J Phys Chem Solids, 1997, 58(2): 271-279. doi: 10.1016/S0022-3697(96)00118-7
    [9] Krivtsov A M, Kuz'kin V A. Derivation of equations of state for ideal crystals of simple structure[J]. Mech Solids, 2011, 46(3): 387-399. doi: 10.3103/S002565441103006X
    [10] 崔守鑫, 蔡灵仓, 胡海泉, 等.氯化钠晶体在高温高压下热物理参数的分子动力学计算[J].物理学报, 2005, 54(6): 2826-2831. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/wlxb200506065

    Cui S X, Cai L C, Hu H Q, et al. Molecular dynamics simulation for thermophysical parameters of sodium chloride solids at high temperature and high pressure[J]. Acta Phys Sin, 2005, 54(6): 2826-2831. (in Chinese) http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/wlxb200506065
    [11] Cohen R E, Gülseren O. Thermal equation of state of tantalum[J]. Phys Rev B, 2001, 63(22): 224101-224111. doi: 10.1103/PhysRevB.63.224101
    [12] 张万箱.固体的特征频率及Grüneisen系数的普遍表达式[J].物理学报, 1984, 33(8): 1120-1128. http://www.oalib.com/paper/1431431

    Zhang W X. General expressions of the characteristic frequency and Grüneisen coefficient for solids[J]. Acta Phys Sin, 1984, 33(8): 1120-1128. (in Chinese) http://www.oalib.com/paper/1431431
  • 加载中
图(7) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  6809
  • HTML全文浏览量:  1869
  • PDF下载量:  339
出版历程
  • 收稿日期:  2012-08-05
  • 修回日期:  2012-11-20

目录

    /

    返回文章
    返回