1-11 碳水混合物相互作用势及混合法则确定

胡 栋 杨向东 经福谦 王永国 李孝昌 孙珠妹

　　利用二级轻气炮技术研究了石墨与水混合物、金刚石与水混合物在不同加载压力下的冲击压缩特性，为选取混合法则提供实验依据。研究发现：在加载压力小于19GPa时两种混合物的冲击波速度D和粒子速度u的关系都是线性关系，但冲击压缩特性有明显的差别。金刚石与水混合物的冲击Hugoniot曲线在石墨与水混合物的冲击Hugoniot曲线的上面。这也说明石墨还未出现相变，石墨尚未转变成金刚石；随着加载压力p增加，这两条曲线渐渐接近。p>23GPa（D=6.32km/s）时, 这两条Hugoniot曲线几乎重合，这说明大部分石墨已转变成金刚石。

　　另外，从石墨与水混合物的冲击Hugoniot曲线也可以看出，p>18GPa（D=5.6km/s）后，它就偏离原来的线性Hugoniot关系；在p>23GPa后又跟金刚石与水混合物的冲击压缩线重合。这从另一方面说明，p>18GPa后就有部分石墨转变成金刚石，在p>23GPa后大部分石墨转变成金刚石。石墨与水混合物冲击加载至52.86GPa明显偏离线性Hugoniot曲线。

　　利用冲击波关系计算了它们的比容比V/V₀（V₀是初始比容）。计算表明：此时的比容比为0.592，它比11.50GPa冲击波作用下石墨与水混合物的比容比0.581还大。这种体积增大的反常现象可能是石墨与水的混合物在强冲击压缩作用下生成气体产物所致。就水或石墨这两种单质物质而言，它们在本文所达到的压力范围内不可能生成气体产物。但是水在冲击压力为15～20GPa时发生电离，而石墨在高压作用下可分解成碳原子。

　　利用OMA谱仪对实验进行观察。实验研究表明：在高压作用下，石墨与水、金刚石与水混合物的发射光谱中不仅观察到OH和C₂等中间产物，而且还观察到CO₂气体最终产物。CO₂气体产物的形成必然导致体积增大。

　　利用常用的混合法则可以较好地确定不同液体混合物的相互作用势及状态方程。但是，固体和液体混合物势参数的选取及状态方程的确定存在一定的困难。我们采用改进的WCA状态方程计算碳水混合物的状态方程。势函数选取EXP–6形式；混合法则与国外常用的稍加改进。

　　计算结果表明：采用改进的WCA状态方程并选用合适的混合法则可以描述碳水混合物的冲击压缩特性。但是冲击压力大于52GPa后，由于碳和水的化学反应产生的CO₂气体导致体积膨胀，计算值和实验结果有一定的偏离，目前，完全从理论上确定带化学反应的固-液混合物的状态方程很困难。如果采用半经验方法还是有可能确定其状态方程的。