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金剛石，又有重要進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間：

2025-06-08

   近日，吉林大學(xué)物理學(xué)院黃曉麗教授與吉林大學(xué)唐敖慶講座教授、寧波大學(xué)崔田教授等人在基于金剛石對(duì)頂砧裝置的壓力加載技術(shù)方面取得重要進(jìn)展，在國(guó)內(nèi)首次突破500 GPa壓力，研究成果以“Unified equation of state of tungsten up to 527 GPa using modified toroidal diamond anvil cells”為題，發(fā)表在Phys. Rev. B 111, 214101 (2025)雜志上。

       近年來(lái)高壓加載技術(shù)取得顯著進(jìn)展，但使用傳統(tǒng)金剛石對(duì)頂砧裝置（DAC）獲得400 GPa以上的壓力仍面臨重大挑戰(zhàn)。前期實(shí)驗(yàn)研究表明，金剛石的雙杯狀形變是制約基于傳統(tǒng)DAC達(dá)到400 GPa壓力的因素。發(fā)展新型超高壓加載技術(shù)是破解該領(lǐng)域亟待解決問(wèn)題的有效途徑。目前，采用納米晶金剛石（NCD）半球作為二級(jí)壓砧的雙級(jí)DAC（ds-DAC）可實(shí)現(xiàn)1 TPa的壓力。然而，ds-DAC復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作難度以及NCD半球極端的尺寸和形狀限制了其在樣品裝載與原位測(cè)量中的進(jìn)一步應(yīng)用。2018年，Dewaele團(tuán)隊(duì)和Jenei團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立提出了實(shí)現(xiàn)500 GPa以上壓力的環(huán)形金剛石壓砧（t-DAC）模型，但后續(xù)實(shí)驗(yàn)均未能突破500 GPa壓力極限。目前，t-DAC的設(shè)計(jì)參數(shù)與應(yīng)力分布模式仍不明確，因此揭示其在極限壓力下的砧面壓力分布與形變機(jī)制至關(guān)重要。       研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改進(jìn)型環(huán)形金剛石壓砧（mt-DACs），基于同步輻射X射線衍射實(shí)驗(yàn)所獲得的金狀態(tài)方程（EoS），將金屬鎢（W）的等溫狀態(tài)方程拓展至目前的紀(jì)錄527 GPa極端高壓。研究結(jié)果表明，壓縮至527 GPa的最高壓力，鎢的晶體結(jié)構(gòu)仍保持體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)，未發(fā)生相變。通過(guò)采用改進(jìn)型環(huán)形加工工藝優(yōu)化mt-DAC的受力分布，成功突破了傳統(tǒng)DAC的400 GPa壓力極限，實(shí)現(xiàn)了500 GPa以上的超高壓力。有限元分析顯示，Boehler-Almax型mt-DAC具有極低的最大等效應(yīng)力和最大主應(yīng)變，這對(duì)壓力極限的提升至關(guān)重要。該研究成果將為拓展壓力加載技術(shù)及極端條件下實(shí)驗(yàn)壓力標(biāo)定提供重要參考。
圖：最高壓力至527 GPa的金屬鎢狀態(tài)方程，基于X射線衍射掃描數(shù)據(jù)建立的500 GPa壓力下t-DAC壓力分布圖

       文章第一作者為吉林大學(xué)高壓與超硬材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生丁鷹擊，通訊作者為吉林大學(xué)物理學(xué)院黃曉麗教授、姜樹(shù)清副教授和寧波大學(xué)崔田教授。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目的資助，同時(shí)也得到了上海同步輻射光源及法國(guó)ESRF光源的大力支持。