极端条件下材料的“密度-声速”关系

Studing the elastic wave sound velocity under extreme conditions is one of the methods to improve the understanding of the basic properties of the material. The "density-sound velocity" linear relationship, Birch's law, which based on experimental measurements under relative lower pressure and lower temperature, has been applied in high pressure physics experiments. But, its reliability under extreme conditions(extreme high pressure and temperature) has not been tested because of the lack of sufficient experimental data at present. The project intends to take the porous metallic iron as research object, measures its elastic wave velocity, including the longitudinal wave, body wave and shear wave velocity data in the range between 50-200GPa and about 1000-4500K, the project plans to apply the shock-wave experimental techniques combined with the diagnostic methods about sound velocity which developed recently. This Project should access the sound velocity data in a broad range of thermodynamic state, it is the direct experimental test of the Birch's law, promotes the theoretical study of sound velocity under extreme conditions, this data can also provide reliable data to support the geophysical research about the components of the Earth outer core.

极端条件下弹性声速的研究，是提高对材料基本属性认识的途径之一。基于相对低压和低温实验观察得到的“密度-声速”的线性关系——Birch定律，在高压研究领域一直为高压物理实验工作者所应用。然而其在极端条件下（极高的压力和温度环境）是否成立，目前尚且缺乏足够的实验数据加以检验。本项目拟选用疏松的金属铁做为研究对象，应用冲击波高压实验技术，结合近期发展成熟的声速诊断手段，在冲击压力50-200GPa、温度大约1000-4500K范围内得到其弹性声速，包括纵波、体波和横波声速数据。项目在较为宽广的热力学状态范围内得到声速数据，一方面是对Birch定律的直接实验检验，促进极端条件下弹性声速的理论研究，另一方面也可以为地球物理研究外地核组分问题提供可靠的数据支持。

本项目旨在实验研究在极高压力和温度下，材料的弹性声速与密度之间的关系，检测二者之间直线关系的论断（即，Birch定律）是否成立。实验手段采用冲击动高压实验技术，用二级气体炮产生150GPa以上的压力和3000℃以上的温度。实验的研究对象是地球深部物质，金属铁或者硅酸盐。项目之初的设想是首先在本单位（高温高压物理研究所）安装了一门二级气体炮，然后开展相应的实验。目前二级气体炮已经安装完毕，正在进行后期的调试。项目负责人以及科研团队已经掌握了二级气体炮的发射和测试技术，从已有的调试数据来看，新安装的二级气体炮具备将60克弹丸发射到接近2km/s的发射能力，接下来的设备调试目标是将20克弹丸发射到5km/s，达到本项目所需的发射速度要求。同时本项目的实验样品的制备工作也已经完成，取得了较为理想的实验样品。. 为了按期完成项目的研究工作，我们同时委托流体物理研究所（中国工程物理研究院下属单位）进行了本项目前期的测试工作，实验的高压设备是二级轻气炮。这些测试工作进行顺利，已经获取了6个实验数据点。与前人的工作进行了对比分析，可以看出实验数据质量很好。接下来的工作一方面是继续调试二级气体炮，尽快进行实验测试，另一方面会同流体物理研究所继续进行测试工作，争取取得足够充分的实验数据，完成项目的研究内容和研究目标。预计在今年（2015年）上半年可以完成余下的测试，在下半年整理数据、撰写论文并且发表。. 由于安装并且调试二级气体炮耗时较长，同时委托单位流体物理研究所的科研任务也比较繁重，所以在本项目的执行期限内未能完成全部的测试工作。项目负责人以及课题组成员有信心在今年完成本项目的研究工作，得到有价值的实验数据，实现本项目的研究目标。此外，以本项目为基础，项目负责人申请了一项国家自然科学基金青年基金项目，已经得到资助。