Nghiên cứu tính chất điện, nhiệt động sắt và hợp kim ở áp suất cao - Nguyễn Thị Hồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT DẪN ĐIỆN VÀ NHIỆT ĐỘNG CỦA SẮT VÀ CÁC HỢP KIM Ở ÁP SUẤT CAO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ HỌC Hà Nội – 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT DẪN ĐIỆN VÀ NHIỆT ĐỘNG CỦA SẮT VÀ CÁC HỢP KIM Ở ÁP SUẤT CAO Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và vật lí toán Mã số : 9440130.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. Hồ Khắc Hiếu GS. Nguyễn Xuân Hãn Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án “Nghiên cứu các tính chất điện và nhiệt động của sắt và các hợp kim ở áp suất cao” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn. Các kết quả trong luận án không trùng lặp với các luận văn, luận án và các công trình nghiên cứu nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Thị Hồng i LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi còn nhận được nhiều sự giúp đỡ, động viên của thầy cô, gia đình và bè bạn. Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc nhất tới PGS. Hồ Khắc Hiếu và GS. Nguyễn Xuân Hãn - các thầy giáo đã giúp đỡ tôi rất nhiều về mặt tài liệu và dành cho tôi sự hướng dẫn tận tình trong suốt thời gian tôi tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện luận án; Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban giám hiệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN và các phòng chức năng chuyên môn, Thầy cô trong ban chủ nhiệm khoa.

Xin cảm ơn các thầy, cô giáo Bộ môn Vật lí lí thuyết - những người đã trực tiếp giảng dạy, đã giúp đỡ, cung cấp cho tôi những kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi học tập và hoàn thành luận án. Xin gửi lời cảm ơn đến, Ban giám hiệu, các thầy cô giáo Bộ môn Vật lí và các đồng nghiệp Khoa Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Hồng Đức đã giúp đỡ và tạo những điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án; Cuối cùng tôi xin gửi lời tri ân thành kính nhất đến gia đình, bạn bè thân thiết đã luôn động viên, giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn và tạo mọi điều kiện để tôi chuyên tâm nghiên cứu. xin gửi tặng thành quả hôm nay cho tất cả những người mà tôi yêu quý nhất. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Thị Hồng ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.v DANH MỤC BẢNG BIỂU. vi DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ. vii MỞ ĐẦU.

Lý do chọn đề tài. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.

Những đóng góp mới của luận án. Bố cục của luận án .4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG, DẪN ĐIỆN CỦA SẮT VÀ HỢP KIM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Tính chất nhiệt động và dẫn điện của sắt và hợp kim. Các tính chất Vật lí cơ bản của sắt và hợp kim sắt.

Tính chất nhiệt động của sắt và hợp kim sắt. Tính chất dẫn điện của sắt và hợp kim sắt. Phương pháp nghiên cứu tính chất nhiệt động và dẫn điện của sắt và hợp kim. Lý thuyết chung của mô hình Debye.

Mô hình Debye tương quan phi điều hòa. Kết hợp mô hình Debye với định luật nóng chảy Lindemann để nghiên cứu tính chất nhiệt động của sắt và hợp kim. Kết hợp mô hình Debye với quy tắc Matthiessen và định luật Bloch– Grüneisen để nghiên cứu tính chất dẫn điện của sắt và hợp kim .27 TIỂU KẾT CHƯƠNG 1 .36 iii CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ DẪN ĐIỆN CỦA SẮT Ở ÁP SUẤT CAO. Các tính chất nhiệt động của sắt.

Hệ số Grüneisen. Các cumulant phổ EXAFS. Tần số và nhiệt độ Debye. Nhiệt độ nóng chảy.

Tính chất dẫn điện của sắt. Tính số và thảo luận kết quả. Tính chất nhiệt động. Tính chất dẫn điện của sắt dưới áp suất .61 TIỂU KẾT CHƯƠNG 2 .64 CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG VÀ DẪN ĐIỆN CỦA HỢP KIM SẮT Ở ÁP SUẤT CAO.

Tính chất nhiệt động của hợp kim sắt ở áp suất cao. Nhiễu loạn nhiệt của hợp kim sắt ở áp suất P = 0. Tính chất nhiệt động của hợp kim sắt ở áp suất cao. Tính chất dẫn điện của hợp kim sắt ở áp suất cao.

Tính số và thảo luận kết quả. Tính chất nhiệt động của các hợp kim sắt. Tính chất dẫn điện của các hợp kim B2-FeSi và B2-FeNi .93 TIỂU KẾT CHƯƠNG 3 .98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN .100 TÀI LIỆU THAM KHẢO .112 iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt DAC Diamond Anvil Cell Ô mạng đế kim cương XRD X-ray diffraction Phép đo nhiễu xạ tia X BCC Body-centered cubic Lập phương tâm khối FCC Face-centered cubic Lập phương tâm diện HCP Hexagonal close packed Lục giác xếp chặt Laser Heated Diamond ô mạng đế kim cương đốt nóng bằng LH-DAC Anvil Cell laser Resistance Heated Diamond ô mạng đế kim cương đốt nóng bằng RH-DAC Anvil Cell điện trở CMB Core–mantle boundary Ranh giới lõi ngoài - lớp phủ First-principles molecular động lực học phân tử dựa trên các FPMD dynamics nguyên lý đầu tiên DWF Debye-Waller factor Hệ số Debye-Waller Độ dịch chuyển bình phương trung MSD Mean square displacement bình Extended X - ray Cấu trúc tinh tế phổ hấp thụ tia X mở EXAFS absorption fine structure rộng Mean square relative Độ dịch chuyển tương đối bình MSRD displacement phương trung bình Anharmonic correlated Mô hình Debye tương quan phi điều ACDM Debye model hoà EOS Equations of state Phương trình trạng thái Khoảng lân cận gần nhất giữa hai hạt NND Nearest-neighbor distance trong tinh thể ICB Inner core boundary Ranh giới lõi trong của Trái Đất v DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1: Các tham số thế Morse [88], môđun khối đẳng nhiệt K 0 và đạo 50 hàm bậc nhất theo áp suất của môđun khối đẳng nhiệt K 0' [31] của sắt.1: Các tham số thế Morse của kim loại sắt và hợp kim B2-FeAl [118]. Hằng số lực hiệu dụng keff , tần số Debye D và nhiệt độ Debye 80  D của B2-Fe-40 at.%Al được xác định từ ACDM.3: Tham số thế Morse của các kim loại Fe, Cr và hợp kim Fe-Cr.

Hằng số lực hiệu dụng, tần số Debye và nhiệt độ Debye của các kim loại Fe và Cr. 85 vi DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Giản đồ pha của Fe [4] 7 Hình 1.2: Các loại cấu trúc BCC, FCC, HCP và các nguyên tử lân cận 8 gần nhất. Nguyên tử hấp thụ (A), nguyên tử tán xạ (B) và các quả cầu 23 phối vị đầu tiên của chúng Hình 1. Mối liên hệ giữa điện trở suất rút gọn  T   ( D ) và nhiệt độ 35 rút gọn T /  D của một số kim loại [36].

Sự phụ thuộc áp suất của hệ số Grüneisen của kim loại sắt. Sự phụ thuộc áp suất của nhiệt độ và tần số Debye của sắt HCP. 52 Dữ liệu thực nghiệm của Anderson và cộng sự [6] (các hình thoi và hình tròn) cũng được chúng tôi đưa vào để so sánh. Mạng tinh thể kim loại cấu trúc lập phương tâm khối 54 Hình 2.4: Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số Debye–Waler phổ EXAFS của 56 α-Fe.

Kết quả thực nghiệm và mô phỏng động học phân tử [113] cũng được chúng tôi đưa vào để so sánh.5: Sự phụ thuộc áp suất của hệ số Debye–Waler phổ EXAFS của 57 sắt. Nhiệt độ nóng chảy Tm của ε-Fe đến áp suất 350 GPa. Đường 58 cong nóng chảy của chúng tôi (đường liền nét dưới) cùng với dải bất định được so sánh với các các kết quả nghiên cứu trước đây. Trong đó, giá trị thực nghiệm được đo bởi Nguyen và Holmes [82] (hình sao 5 cánh), Ahrens cộng sự [4] (hình tròn), và Brown và McQueen [22] (dấu *); các thí nghiệm XRD nén tĩnh bởi Komabayashi và Fei [64] (tam giác hướng sang trái), Ma cộng sự [73] (hình vuông đặc), Shen cộng sự [96] (kim cương đặc), và Boehler [17] (lục giác đặc), Boehler cộng sự [18] (đường vii nét đứt dưới); Các phép đo XRD của Anzellini và cộng sự (đường liền nét trên) [7]; phép đo phổ synchrotron Mössbauer của Jackson và cộng sự [59] (tam giác hướng lên trên); Các phép đo XAS của Aquilanti và cộng sự [8] (tam giác hướng sang bên phải) ; tính toán ab initio của Bouchet và cộng sự [20] (đường nét đứt trên).7: Sự phụ thuộc áp suất của điện trở suất của sắt ở pha ε.

Dữ liệu 62 thực nghiệm [42] (hình tròn) được chúng tôi biểu diễn để so sánh.8: Điện trở suất của sắt ở áp suất 212 GPa. Kết quả của nhóm 63 chúng tôi được so sánh với ước tính trước đó của Ohta và cộng sự [86] (đường cong đứt nét) cùng với dải bất định màu lục nhạt. Hợp kim thay thế FeX cấu trúc B2. Các nguyên tử Fe và X trong hợp kim FeX.

Hằng số mạng phụ thuộc nhiệt độ của B2-Fe-40 at. Tính 80 toán của chúng tôi được biểu diễn cùng với phép đo HT-XRD (các hình thoi đặc) [122]. Sự phụ thuộc nhiệt độ của cumulant bậc hai của B2-Fe-40 81 at. Các giá trị thực nghiệm của C2  Å 2  của ba lớp vỏ đầu tiên của hợp kim FeAl được chúng tôi biểu diễn để so sánh [21].

Sự phụ thuộc nhiệt độ của MSRD song song và vuông góc của 82 FeAl. Sự phụ thuộc nồng độ Cr của nhiệt độ Debye chuẩn hóa của 86 hợp kim FeCr. Các phép đo thực nghiệm [34, 62] tính toán ab initio [120] và đường cong Kopp-Neumann cũng được chúng tôi biểu diễn để so sánh. Sự phụ thuộc nhiệt độ của MSD của hợp kim FeCr với các nồng 87 độ Cr khác nhau viii Hình 3.

Sự phụ thuộc nồng độ Cr của MSD của hợp kim Fe-Cr. Các 88 phép đo thực nghiệm từ cường độ tích hợp tia X được hiển thị để so sánh [62]. Sự phụ thuộc nồng độ Cr của MSD chuẩn hóa của hợp kim 89 FeCr. Số liệu thực nghiệm từ phép đo cường độ tia X cũng được đưa vào để so sánh [62] Hình 3.

Tần số Debye (đường liền nét) và nhiệt độ Debye (đường nét 91 đứt) của hợp kim Fe-18wt%Si dưới ảnh hưởng của áp suất. Hệ số Debye-Waller của hợp kim Fe-18wt%Si dưới ảnh hưởng 91 của áp suất Hình 3.