[发明专利]基于金刚石对顶砧高温高压样品热导率的测量方法

说明书

本发明的基于金刚石对顶砧高温高压样品热导率的测量方法，属于极端环境下物理量原位测量的技术领域。本发明通过读取两颗金刚石压砧底面中心及侧棱指定点温度t₁～t₄，根据实际实验尺寸构建有限元模型，将实验温压下测得的压砧及垫片热导率代入有限元，以t₁、t₂作为热边界条件，通过有限元计算模拟改变样品热导率数值，直至模拟温度t′₃＝t₃、t′₄＝t₄，即可确定样品的热导率数值。本发明实现不同温度压力条件下金刚石对顶砧上原位热导率测量的技术突破，利用实验温度测量与有限元温场分析实现样品高温高压下热导率的标定，避免了稳态法热流标定的障碍，为高温高压下样品的物理性质研究开辟一条有效途径。

技术领域：

本发明属于极端条件下物理量原位测量的技术领域，特别涉及一种物质在高温高压环境下热导率的原位测量方法。

背景技术：

金刚石对顶砧(Diamond Anvil Cell,简称DAC)是目前唯一能够产生百万大气压静态压力的科学装置，是高压科学与技术研究领域中最重要的科学仪器。近年来，利用DAC上各种原位测量方法，人们已经发现很多压力诱导的奇异物性，获得了有关原子排列结构、晶格振动模式、电子能级结构等在内的重要物理学参量，了解了众多物质在超高压环境下的结构、电学、光学、化学键等物理性质。然而，时至今日，DAC上的热输运性质测量依然面临严峻挑战。由于热传递具有诸多不确定因素，目前在DAC装置中罕见有关热测量的报道，如果能实现热性质的测量，材料热学性质随温度压力的变化关系将被揭示，且热测量技术的开发，与其他表征手段相辅相成，有利于材料多物理量的相互解释。可以试想，若能在DAC上实现力、热、光、电等全部物理量的原位探测，势必为高压科学研究提供更宽广的视域，将有更多新奇的高压现象被揭示，推动高压科学的发展。

在DAC上实现高温高压原位热导率的测量，对于众多科学研究都具有重要意义。例如在地球科学领域，高温高压下矿物和岩石的热导率与地址板块模型密切相关，是了解地球内部动力学机制、圈层温度分布以及地球热演化历史的重要参数。在地球内部，地幔物质在高温高压环境下的热导率和粘度共同决定了在这一深度的传热方式，热导传热还是对流传热；在克拉通岩石圈和消减带，热导率决定了岩石圈地热模型和消减带岩石圈的热结构模型，对于深源地震的成因有重要的意义。与此同时，高温高压热导率的测量对于材料科学也至关重要，以热电材料为例，高温高压作为一种调控热电材料热电性能的手段，能够有效地调节材料的内部微观机制、优化晶格结构、改变载流子浓度，从而实现热电优值的提升。通过温度和压力的调控，可以缩短原子或分子之间的间距，增大电子波函数之间的交叠，最终导致新价态的产生和电子能级的改变、原子占位的重新排布以及新的能带结构的出现，从而增加样品电导率，进而增大功率因子；通过增加样品内部的散射中心，增强声子散射，降低晶格热导率，最终提高材料的热电性能。

由于高温高压热导率具有重要的研究意义，很多科研工作者在该领域进行了探索性的研究，最早的高压热导率原位测量可以追溯到1924年，Bridgman在活塞圆筒装置中测试了部分矿物材料的热导率，装置技术受限，实验压力最高仅达到1.2GPa。Fujisawa在1968年将周期热流法稍作修改引入高压实验，但由于依据一维径向非稳态热传导方程，测量仅限于一维柱状样品。随后基于瞬态导热微分方程，在活塞圆筒装置以及两面顶、六面顶压机装置又有几种高压热导率的测量方法被提出，例如：Dzhavadov在1975年提出了非稳态平面热源法，1976年Andersson提出的瞬态热丝法，但是上述方法均面临诸多技术难题，可施加的压力受限，对样品尺寸、实验条件要求苛刻。