Xu, Mao et.al.: 550GPa (1986)
Narayana et.al. 342GPa Nature(1998)
高压物理研究的应用领域
★ 固体地球科学
地球深部的物质组成和存在形式 地壳、地幔、地核的相互作用和演化 行星的物质结构
★ 凝聚态物理、化学和材料科学
测量了一系列元素和化合物材料的高压 物性（压缩率、电导率、热导率、状态 方程、粘性、抗张强度）
超高压物理研究的历史
1941年，Bridgman开始高压金刚石的合成实验 。
Coes 首次合成出了柯石英 (Coesite) 及其它硅酸盐矿物。柯石英是 SiO2的高密度相，即高压相。
1955年，美国通用电气公司的Bundy, Hall, Strong, Wentof等人， 及瑞典ASEA公司的研究人员首次合成出人造金刚石。Wentof合成 了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼(BN)。 哈佛大学于 1933 年启动地球物理科学方面的一项研究计划， 1952 年Birch发表了“地球内部的弹性和组成”的论文。
P-T-X
Three Dimensions in Science
Temperature A ubiquitous variable in ALL physical and biological sciences Composition Chemistry and materials science
高压物理实验技术
ftp://202.38.85.119
User:hp15 Password:hp15 Tel:63607671 Email:zzm@ 时间：二(3,4)，四(3,4) 考试：读书报告、开卷
参考文献
《大学物理实验》第四册 P327-339 《固体物理实验方法》(王华馥、吴自勤主编，高等教育出版社，1990 年)—第十二章：固体物理的高压研究方法 《地球深部物质科学导论》(谢鸿森著，科学出版社，1997年) 《实验环境技术—丸善实验物理学讲座第12卷》(本和光博、藤井保彦编， 丸善株式会社，2000年) 《High Pressure Experimental Methods》(M. Eremets，Oxford Sci. Pub.， 1996年) 《超高压－实验物理学讲座第18卷》(箕村茂编，共立出版株式会社， 1988年) 《High Pressure Methods in Solid State Research》(C.C. Bradley， Plenum Press，1969年) 《High Pressure Technology》(I.L. Spain、J.Paaue，Marcel Dekker， 1977年)
Center of white dwarf Center of Jupiter
10-2 1 102
Water vapor at triple point Atmospheric pressure (sea level)
Center of Sun
Deepest ocean
104 106 108
Center of the Earth
对流层：海拔每升高100米，温度降低0.6度。 平流层：高度越大，温度越高。
高压技术和工业的早期历史
1680：Papin高压釜(骨头萃取) 1662：Boyle 定律 ：温度不变PV=常数 1802：理想气体的状态方程式 1826：Perkins，水的压缩，0.2GPa 1873：Van der Waals 方程
压力的历史发展
1989年获国际高压界最高奖— —布里季曼奖
Mao, Bell: 172GPa (1978) Bell, Mao: 185GPa (1979)
发表了900多篇学术论文，其中 仅“Nature”和“Science”就 有40余篇，研究成果多次作为杂 志封面。
Bell, Xu et.al.: 280GPa (1986)
高压的获得手段
实验技术 实验装置 压力 受力性质 温度 金刚石对顶砧 低温-室温<550GPa (准)静水压 静态超高压 6000oC 大腔体装置 ( 多顶砧 , 技术 <30GPa (准)静水压 室温-3500oC 活塞圆筒)
水热体系高 高压釜装置 温高压技术 内加热釜 岩石力学高 单轴压力机 压实验技术 三轴压力容器

短波光辐照下，苯的压致开环阈值降低。
无光照为23 GPa
0.6 GPa, 350 nm

红磷与水在紫外光照和压力作用下产氢。
Ciabini et al, Phys. Rev. Lett., 2002 压力能改变光反应速率，选择光反应路径。 Ceppatelli et al, Angew. Chem. Int. Ed., 2013
高压下，即使很稳定的分子也可能断键，形成新物质。

C60 纳米晶片在高压下非晶化。
压力与骤冷一样，也是一种使物质非晶化的方法。 Eremets et al, Nat. Mater., 2004 Wang et al, Appl. Phys. Lett., 2007
压力下的分子体系

正交相S8经历了压致金属化。
4、工程大气压为每平方厘米公斤数（kg/cm2）
l bar＝105Pa＝0.9869atm
1bar≈1atm 10kbar=1GPa 1Mbar=100GPa
静水压
静水压：受到的压力各向相同(如液体）
非静水压：受到的压力各个方向不同（高压下固 化的液体） 准静水压：各个方向的压力虽然不同，但只有微小的差别，可以 近似认为是静水压 剪切压：物体由于外因（载荷、温度变化等）而变形时，在它 内部任一截面的两方出现的相互作用力，称为“内力”，单位 面积上的内力称为“应力”。应力可分解为垂直于截面的分量， 称为“正应力”或“法向应力”；相切于截面的分量称为“剪 切应力”。
极端条件(P,T,H)下的物性：相变，超导，超临界 新材料的合成：超硬 工业应用
★ 生命科学与生物技术
生命的起源 蛋白质折叠和变性
高压在物理学研究中的重要性

压力、温度和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
1 GPa = 109N/m2 = 104 bar 10-8 10-6 10-4
Best mechanical pump vacuum
10-16 Pressure (Atmospheres)
Atmosphere at 300 miles
Pressure (Atmospheres)
10-8 1 108 1016 1024 1032
Center of neutron star
To Establish a Dimension
37
Classic Example: Carbon
Graphite
Diamond
P
38
Pressure-induced amorphization
The high-pressure behavior of water continues to present new questions and surprises
Pressure Rivals T and X? Or a niche, extreme condition?
RANGE OF PRESSURE IN THE UNIVERSE
10-32 10-24
Interplanetary space Hydrogen gas in intergalactic space
★ 超高压物理学概貌
★ 超高压的产生装置
★ 压力定标和实验技术
★ 高压下的物性研究 ★ 高压研究前沿领域
压强的单位
1、Pa (帕斯卡)是国际压强单位 (＝1N/m2 )
1 MPa＝106 Pa，1 GPa＝109 Pa
2、bar (巴)是常用压强单位 (=106dyn/cm2)
3、atm (大气压)称为标准大气压

P

出现高密度态和新的高压相，在百GPa下每种物 质平均出现5个相变
高压可以调节相邻分子的电子云重叠程度，诱 导奇异的化学反应 为验证理论模型和发展新理论提供有效的手段
T
X
Hale Waihona Puke 现有物质科 学压力下的分子体系

N2 分子在高温高压下形成共价单键超硬材料。
T > 2000 K, P > 110 GPa
压力不仅仅能改变原子结构，
还能影响电子结构。
95 GPa处反射率突然变大
>98 GPa, <0.6 K

分子金属态氧在高压下的超导转变。
金属氢是一个非常激动人心的研究领域。
Luo et al, Phys. Rev. Lett., 1991 Shimizu et al, Nature, 1998
压力下的分子体系



《21世纪压缩科学的需求与 挑战―静高压的未来》 在百万大气压下，我们目前 对许多材料的基本热力学性 质的理解有限，这些属性包 括许多体系的相图 由于相图构建需精确的实验 测量及海量数据分析，对设 备和研究人员有很高的要求 ，目前含能材料相图研究还 鲜有报道 即便少量发表的P-T相图，其 研究温度、压力范围也较低
具有安全阀的Papin高压釜
压力锅要在排气管冒气后再加上限压阀？
弹簧安全阀的作用有哪些？
高压技术和工业的早期历史
1806: Northmore，液化氯气 1835：Thilorier，二氧化碳的固化 1877：Cailletet，氧的液化 1900： Dewer，氢的液化（204K） 1908： Onnes，氦的液化 1926： Keeson，氦的固化
<0.5GPa 静水压 <3GPa 静水压 <3.5GPa 剪切压 <3.5GPa 剪切压