金属材料多相物态方程相关问题研究

Multiphase equations of state (EOS) for metals are of particular importance and full of challenge for weapon physics, geophysics, and inertial confinement fusion (ICF). Guided by the NSAF manual, the present project will perform systematic theoretical and experimental studies on the multiphase EOS for metals. This includes: We will explore the phase diagram and multiphase EOS for some typical metals through large-scale first-principles molecular dynamics simulations combined with rationalized theoretical modelings; By improving finite-temperature DFT+DMFT method, we will investigate the effects of a mixed localization-delocalization in 4f states of cerium on the P-T phase diagram and multiphase EOS; We will modify the genetic algorithm to calculate the multiphase free energies of metals, and develop multiphase EOS software package with proprietary intellectual property rights; We will theoretically and experimentally study high-pressure non-equilibrium phase transition dynamics of shocked metals, and reveal nucleation and growth dynamics during solid-solid phase transition; We will perform experimental measurements on shock temperature and transition latent heat, which will be used to examine the reliability and applicability of our developed theoretical multiphase EOS for typical metals.

金属材料的多相物态方程研究对于武器物理、地球物理、惯性约束聚变等极端条件科学与工程领域来说，意义特殊，富具挑战性。本项目将围绕NSAF指南，深入开展金属材料多相物态方程相关问题研究。包括：通过大规模第一性原理分子动力学模拟，并发展适用于极端条件的多相自由能理论模型，揭示金属材料的高温高压相图与多相物态方程；发展有限温度DFT+DMFT计算方法，研究金属铈f电子的局域-离域混合特性对高温高压相图和多相物态方程的关键影响；发展遗传优化算法，计算金属材料的多相自由能参数，研制具有自主知识产权的金属材料多相物态方程原型软件；理论与实验研究金属材料的高压非平衡相变动力学过程，初步建立其微观和宏观理论模型，阐述冲击加载下金属材料的固-固相变形核与生长的动力学机制；开展典型金属材料冲击温度及相变潜热测量实验研究，以此考核验证金属多相物态方程理论结果的可靠性和适用范围。

金属材料的多相物态方程是凝聚态物理、地球物理、天体物理等基础研究领域关注的一个重要问题，同时在武器、核能工业、航空航天等应用领域也有重大需求。在高温、高压条件下，材料会发生固体-固体、固体-液体、液体-液体及液体-等离子体相变等，认识这些相变过程及材料在极端条件下的物理性质需要人们深刻揭示原子、电子结构与环境的多物理耦合机制。本项目针对多种典型金属材料的多相物态方程，围绕极端高温高压条件下的电子结构关键问题，开展了一系列深入的理论建模和大规模数值模拟研究。项目取得了如下代表性研究成果：（1）发展了平面波近似与第一性原理Kohn-Sham方程自洽耦合的宽区密度泛函理论框架和数值软件，基于该理论框架自洽建立起千万摄氏度和千亿大气压范围内一系列核材料的第一性原理宽区状态方程；（2）率先模拟获得了金属铍的高温声子谱，并预测了铍的相图，给出了铍的多相物态方程，通过全面计入了晶格振动的非谐效应，计算获得的铍的相图与实验测量吻合很好；（3）系统计算比较了δ钚和Pu3Ga的电子结构和声子谱，阐明了通过镓掺杂来稳定δ-钚的微观机制；（4）发出了声子谱反折叠程序Phonon Unfolding，并在国际上首次作为该领域的开源程序发布。该程序适用性非常广泛，能够有效处理各种固-固及固-液相变问题；（5）发展了X射线汤普森散射谱（XRTS）的第一性原理理论技术，可以直接从第一性原理分子动力学出发来来获得XRTS信号。国际同行评价该项研究成果：“这是一篇重要的论文，展示出一个强有力的新方法”；“在可见的未来时间里，这是诠释X射线汤普森散射谱的最好的分析方法”；（6）与国际同行合作发表了ICF聚变材料状态方程研究综述性科学论文，是当前和未来一段时间内ICF物理建模和內爆模拟的重要参考文献。本项目发表了3篇PRL论文，研制了多套程序，提升了我国国防领域在金属材料多相物态方程问题上的理论建模和数值模拟科学研究水平。