第七章_超高压技术在压力加工中的应用.
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15
内容：
1. 高压实验技术：包括高压的产生与测定，高压 下各种物化性质的仪器分析。 2. 凝聚态物质的状态方程（EOS）：是指在一定 的客观条件下物质的能量或体积与其所处温度 、压力的关系。它表征了物质的基本热力学性 质，反映了组成物质的分子或原子相互作用的 信息，是高压物理物理关心的基本问题之一。
3. 高压相变：其变化机制和微观过程是高压物理 学研究的极为丰富的探索领域
16
总之，利用X射线衍射（XRD）、中子衍射 、核磁共振（NMR）光谱、穆斯堡尔、拉曼散 射、布里渊散射、红外光谱（IR）、荧光光谱以 及超声测量等测试手段，研究物质的力、热、电 等性质在高压下的变化及其规律。
17
1. 高压技术发展的历史回顾
P
物质 科学
X
T
8
例1. 高温高压（HPHT）技术是合成新材料的有效手段， 表明高压科学研究成果具有重大的实际应用价值和技术 价值。
（1）有些物质，在高温高压下通过相变形成的新结构能以亚稳态长期保 存在常温常压（RTP）下，利用这一点可以获得新的人工合成材料； 石墨 高温高压 金刚石
六方h-BN
立方C-BN
术。
3
（1）压力的单位 Pa (帕斯卡)是国际压力单位 (＝1N/m2 ) 1MPa＝106 Pa，1GPa＝109 Pa bar (巴)是常用压力单位 (=106dyn/cm2) atm (大气压)称为标准大气压 =1.013×105 Pa 1bar＝105Pa＝0.9869atm 1bar≈1atm 10kbar=1GPa
7
例1. 压力P是与温度T同样重要的热力学参数
压力与温度、组分是任何体系的三个独立物理参 量，压力的作用是任何其它手段无法代替的 压力可改变物质内部的各种相互作用，改变物质 的结构和性质 出现高密度态和新的高压相，在百万巴下每种物 质平均出现5个相变 在高压下以新的基态存在，出现了异于周期表的 新价态，产生奇异的化学反应 对于验证理论模型和发展新理论提供有效的手段
超高压条件
1
主要内容
高压科学的重要意义
高压科学与技术的发展
2
高压科学的重要意义
1. 高压科学的定义：
研究物质（尤其是凝聚态物质）在高压及超高压
条件下的结构、状态、性质及其变化规律的科学。
由于高压的产生及高压下各种结构、状态及性质的
检测需要发展相应特殊的、精巧的、专门的实验技术和
方法，因此，它被规划为一门学科，称为高压科学与技
5
（4）高压物理学： 研究凝聚态物质在高压这一极端条件下 的力、热、光、电等物理性质及状态的 变化规律的学科。 （5）高压下，物理学与化学在很大程度上 是密不可分的，物质的电子状态，能带 结构的改变必然引起其化学性质的变化， 而物质的高压相变本身就是复杂的物理化学过程。
6
2. 压力的效应 是指在压力的作用下，物质的结构和性质 发生改变的现象。 在压力的作用下，物质的状态、晶格结构 和电子结构发生变化，有些还会以新的高压 相存在着，这些高压相可能具有新的优异性 能。
I、对金属氢的研究热潮起源于对其超导特性的预言； (1) 超导转变温度的同位素效应的启示 Tc∞1/M1/2 (2) 1968年，Cornell大学的Aschcroft教授的理论研究指出，金属氢可能是 一种室温超导体。
(3) 这一点也可以以电-声子耦合机制推断：声子的重量（晶格粒子的有 效质量）越轻，越容易与电子发生相互作用及能量交换，即耦合增强， 从而提高超导转变温度。
13
对金属氢的研究主要围绕以下几个问题：
1. 金属化机制 2. 在金属化过程中一系列特定点的确定 3. 结构 4. 超导电性 5. 磁性 6. 稳定性与可利用性 7. 含H金属化合物的对应研究LiH、MgH2、Ni2H …...
14
3. 本学科的特点及内容
特点： 1. 边缘学科，与材料科学、地学、天体物 理学、化学、生物等相结合。 造成缺点：目前为止还没有一套规范、统 一、完备的教材。 2. 与技术的结合非常密切：与高能物理、 同步辐射技术 3. 理论与实验结合，思考与操作相结合， 强调动手能力
4
（2）高压：12（15）kbar < P < 50 kbar 超高压：P > 5 GPa （3）不同领域对“高压”的含义理解 传统生物学：~100-102 bar 深海火山口细 菌： 102-103 bar 分子生物学： 102-103 bar 化学 102-103 bar （水热溶剂热） 材料科学 物理学： 100-102 GPa
1946年，Bridgman获诺贝尔物理奖——对高压物理的突出贡献。
1959年，金刚石对顶砧（DAC）时代。 1965年，Van Valkenburg在DAC中引入了钻孔的金属片
1972年，Forman，Piermarini， Barnett，Block测试了高压下红宝 石荧光。
10
II、金属氢：固态氢金属化的可能机制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(1) 能带重叠机制
σ1s * 1s 1s
H2 分子
σ1s
σ1s * 晶体 σ1s 空带 满带
σ1s *
受压 σ1s
11
(2) 由分子晶体转变为原子晶体（类似于Peierls相变）
以一维体系为例
a
(a)
分子晶体 原子晶体
(b)
E
E
Δ Eg
-2π/a
-π/a
（2）在化学反应过程中，压力能够有效的调制反应物与生成物的Gibbs 自由能，从而改变化学反应的方向，获得所期望的产物； MeN Me+1/2 N2 MeN C3N4、BCN
9
例3. 在高压作用下，物质会发生结构形态的改变；原为液 态的物质会凝固结晶；原为晶态的物质可能发生晶体结 构或电子结构的变化，在很高压力下，半导体、绝缘体 甚至一些分子固体都可能进入金属态。 金属氢的研究是这个方面一个典型的例子
0
π/a
2π/a
-2π/a
-π/a
0
π/a
2π/a
12
(a)
(b)
H2分子在高压下的原子化
b1 . +
a1
. +
d
. +
d
. +
-
A1
A2
a2
-
B1
B2
b2
D
两个H2分子在靠近的过程中，
当D>>d，电子a1,a2受A1，A2质子的作用，形成分子；
随着D逐渐减小，电子a1,a2受B1，B2质子的作用组建增强； 当D~d时，四个电子都受到四个质子的强烈作用，形成原子晶体，类似金 属的状态。
内容：
1. 高压实验技术：包括高压的产生与测定，高压 下各种物化性质的仪器分析。 2. 凝聚态物质的状态方程（EOS）：是指在一定 的客观条件下物质的能量或体积与其所处温度 、压力的关系。它表征了物质的基本热力学性 质，反映了组成物质的分子或原子相互作用的 信息，是高压物理物理关心的基本问题之一。
3. 高压相变：其变化机制和微观过程是高压物理 学研究的极为丰富的探索领域
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总之，利用X射线衍射（XRD）、中子衍射 、核磁共振（NMR）光谱、穆斯堡尔、拉曼散 射、布里渊散射、红外光谱（IR）、荧光光谱以 及超声测量等测试手段，研究物质的力、热、电 等性质在高压下的变化及其规律。
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1. 高压技术发展的历史回顾
P
物质 科学
X
T
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例1. 高温高压（HPHT）技术是合成新材料的有效手段， 表明高压科学研究成果具有重大的实际应用价值和技术 价值。
（1）有些物质，在高温高压下通过相变形成的新结构能以亚稳态长期保 存在常温常压（RTP）下，利用这一点可以获得新的人工合成材料； 石墨 高温高压 金刚石
六方h-BN
立方C-BN
术。
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（1）压力的单位 Pa (帕斯卡)是国际压力单位 (＝1N/m2 ) 1MPa＝106 Pa，1GPa＝109 Pa bar (巴)是常用压力单位 (=106dyn/cm2) atm (大气压)称为标准大气压 =1.013×105 Pa 1bar＝105Pa＝0.9869atm 1bar≈1atm 10kbar=1GPa
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例1. 压力P是与温度T同样重要的热力学参数
压力与温度、组分是任何体系的三个独立物理参 量，压力的作用是任何其它手段无法代替的 压力可改变物质内部的各种相互作用，改变物质 的结构和性质 出现高密度态和新的高压相，在百万巴下每种物 质平均出现5个相变 在高压下以新的基态存在，出现了异于周期表的 新价态，产生奇异的化学反应 对于验证理论模型和发展新理论提供有效的手段
超高压条件
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主要内容
高压科学的重要意义
高压科学与技术的发展
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高压科学的重要意义
1. 高压科学的定义：
研究物质（尤其是凝聚态物质）在高压及超高压
条件下的结构、状态、性质及其变化规律的科学。
由于高压的产生及高压下各种结构、状态及性质的
检测需要发展相应特殊的、精巧的、专门的实验技术和
方法，因此，它被规划为一门学科，称为高压科学与技
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（4）高压物理学： 研究凝聚态物质在高压这一极端条件下 的力、热、光、电等物理性质及状态的 变化规律的学科。 （5）高压下，物理学与化学在很大程度上 是密不可分的，物质的电子状态，能带 结构的改变必然引起其化学性质的变化， 而物质的高压相变本身就是复杂的物理化学过程。
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2. 压力的效应 是指在压力的作用下，物质的结构和性质 发生改变的现象。 在压力的作用下，物质的状态、晶格结构 和电子结构发生变化，有些还会以新的高压 相存在着，这些高压相可能具有新的优异性 能。
I、对金属氢的研究热潮起源于对其超导特性的预言； (1) 超导转变温度的同位素效应的启示 Tc∞1/M1/2 (2) 1968年，Cornell大学的Aschcroft教授的理论研究指出，金属氢可能是 一种室温超导体。
(3) 这一点也可以以电-声子耦合机制推断：声子的重量（晶格粒子的有 效质量）越轻，越容易与电子发生相互作用及能量交换，即耦合增强， 从而提高超导转变温度。
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对金属氢的研究主要围绕以下几个问题：
1. 金属化机制 2. 在金属化过程中一系列特定点的确定 3. 结构 4. 超导电性 5. 磁性 6. 稳定性与可利用性 7. 含H金属化合物的对应研究LiH、MgH2、Ni2H …...
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3. 本学科的特点及内容
特点： 1. 边缘学科，与材料科学、地学、天体物 理学、化学、生物等相结合。 造成缺点：目前为止还没有一套规范、统 一、完备的教材。 2. 与技术的结合非常密切：与高能物理、 同步辐射技术 3. 理论与实验结合，思考与操作相结合， 强调动手能力
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（2）高压：12（15）kbar < P < 50 kbar 超高压：P > 5 GPa （3）不同领域对“高压”的含义理解 传统生物学：~100-102 bar 深海火山口细 菌： 102-103 bar 分子生物学： 102-103 bar 化学 102-103 bar （水热溶剂热） 材料科学 物理学： 100-102 GPa
1946年，Bridgman获诺贝尔物理奖——对高压物理的突出贡献。
1959年，金刚石对顶砧（DAC）时代。 1965年，Van Valkenburg在DAC中引入了钻孔的金属片
1972年，Forman，Piermarini， Barnett，Block测试了高压下红宝 石荧光。
10
II、金属氢：固态氢金属化的可能机制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(1) 能带重叠机制
σ1s * 1s 1s
H2 分子
σ1s
σ1s * 晶体 σ1s 空带 满带
σ1s *
受压 σ1s
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(2) 由分子晶体转变为原子晶体（类似于Peierls相变）
以一维体系为例
a
(a)
分子晶体 原子晶体
(b)
E
E
Δ Eg
-2π/a
-π/a
（2）在化学反应过程中，压力能够有效的调制反应物与生成物的Gibbs 自由能，从而改变化学反应的方向，获得所期望的产物； MeN Me+1/2 N2 MeN C3N4、BCN
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例3. 在高压作用下，物质会发生结构形态的改变；原为液 态的物质会凝固结晶；原为晶态的物质可能发生晶体结 构或电子结构的变化，在很高压力下，半导体、绝缘体 甚至一些分子固体都可能进入金属态。 金属氢的研究是这个方面一个典型的例子
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π/a
2π/a
-2π/a
-π/a
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π/a
2π/a
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(a)
(b)
H2分子在高压下的原子化
b1 . +
a1
. +
d
. +
d
. +
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A1
A2
a2
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B2
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两个H2分子在靠近的过程中，
当D>>d，电子a1,a2受A1，A2质子的作用，形成分子；
随着D逐渐减小，电子a1,a2受B1，B2质子的作用组建增强； 当D~d时，四个电子都受到四个质子的强烈作用，形成原子晶体，类似金 属的状态。