在天体物理、固体物理、地球物理、核爆炸以及惯性约束聚变等研究中,常常需要了解在高压、高温等极端条件下物质行为的知识,对于这种变化规律的探求,可以归结为对物态方程的研究。这是一项非常基础的研究工作,对诸如凝聚态物理、原子分子物理、行星和地球物理等基础学科的发展起着重要的推动作用;由此而获得的规律性认识和基础物理数据,在近代武器物理、材料科学、宇航技术、激光聚变和能源工程等许多应用科学领域也具有十分重要的应用价值。

20世纪60年代,在北京官厅水库的十七号爆轰实验场地,经福谦就与他所领导的科研小组协力开创了我国高压物态方程实验研究这一新领域,建立了一套比较完整的实验设计、测量技术和方法。

但是,在核武器内爆过程中涉及的压力、密度、温度的范围内,固体物质将经历固、液、气、等离子体等多种相态的变化。经福谦敏锐地意识到在禁核试条件下,仅仅依靠爆轰实验所获得的数据是远远不够的,必须深入开展相应的基础研究,建立一个能够在宽广的热力学状态范围内对物质经历的固、液、气、等离子体等物相变化过程进行全面描述的宽区物态方程。约从1980年起,他就着手推动一系列基础研究,开展了对宽区物态方程探索研究。他有一个宏大的目标,不仅要做宽区物态方程,甚至要做到全区!

经先生在会上就提出这个想法,就说我们能不能把物态方程做到全区,我们对后人也是一个贡献、对中国工程物理研究院流体物理研究所基础工作也是一个贡献。

实现全区物态方程这一目标需要长远规划,甚至需要几代人付出努力,但经福谦相信“路虽远,行则必至”。他决定采取分步走的方式,在满足任务需求的前提下,经福谦决定分步完成目标,先完成相应压力温度区间段的材料物态方程研究,再逐步补齐其他区间段。通过一步步完善,期望最终获得全区物态方程。

在成都科技大学应用物理联合所与之共事的杨向东教授对他的这一思想表达了深深的敬佩之情:

要完成任务很重,因为这是一个长远规划,是经先生很重要一个想法,但是要全部实现说不定需要几代人的努力。经先生有这种魄力,有这种胸怀,他能看到未来我们应用物理联合所需要的、中国工程物理研究院流体物理研究所需要的、我们国家需要的,我认为这就是经先生的魄力所在,是一般人做不到的。

在经福谦的带领和推动下,科研工作者们在物态方程研究这一领域正逐步探索,取得了丰硕的研究成果。

在与成都科技大学联合成立的应用物理研究所中,密切结合中国工程物理研究院的主体科研内容,在以武器任务为牵引的纵向推进过程中,经福谦充分发挥团队的横向思维能力,着手从原子间力的角度开展研究爆轰产物的状态方程。

炸药作为武器威力的体现者,几乎用于所有武器系统并在所有军种中装备使用。随着军事科技的发展,对炸药爆轰产物状态方程的研究工作提出了更高的目标,即要求准确描述炸药膨胀性能的同时还要预估各种新炸药配方的爆轰参数。由于这类计算完全是先验性的,没有现存爆轰参数可利用。经福谦决定,充分发挥高压物理学科和原子分子物理学科各自的优势,采用统计学理论,借助产物中各组元的分子作用势和“混合规则”,并通过化学平衡条件和相平衡条件确定产物的成分变量。经过前期的分析,他认为由此导出的状态方程应该具有较高准确性和较好的普适性。

根据这一理论基础,经福谦和他的学生刘福生等人开展了大量工作。从1991年到1997年,他们以自行设计的实验为基础,形成了相应的理论方法,并经过实验反复验证,证实了其有效性与准确性。

1997年的时候,状态方程已经达到了我们要达到的目标了,我们当时基本上对所有炸药都可以预测了,包括各种炸药甚至炸药的混合物的产物状态方程,而且预测的精度可以达到美国的水平。所以当时我们关于炸药爆轰产物这一块还是有不少成果的,这都是在认识的方面相当进步的。当时经老师觉得跟其他学科的合作是可以解决实实在在的问题的。

由于他们抓住了炸药分子结构成分与其爆轰特性之间的本质规律性,这种理论方法的成功标志着炸药爆轰产物状态方程研究工作上了一个新台阶。

在开展研究的过程中不可避免地遇到了很多困难,经福谦的执着精神深深感染了学生们。刘福生回忆起经福谦所说过的话,感触很深:

从结果看来,实际上即使有些很复杂的问题,只要大家专注去做还是会有进展的。经老师觉得美国人能做成我们为什么做不成呢?我们中国人不笨啊,我们为什么做不成呢?所以那时候经先生基本上不觉得有多困难,只是看做不做得出来。

瞄准全区物态方程研究这个目标,在经福谦的带动下,流体物理研究所、成都科技大学、西南交通大学、电子科技大学等单位都开展了相应研究,经过数十年的不懈努力,已获得了较大区域的物态方程参数,取得了突出的成绩。

不仅如此,自1992年起,经福谦还针对一种具有特殊性质的材料——粉末材料——开展了高温高压物态方程研究。由于粉末材料密度低于其密实状态密度,传统上,在不同的压力段要用不同物理模型处理,各压力区所用的模型不一致,因而缺乏统一的理论基础。

在他指导下,吴强运用横向思维的方法,考虑用其他的变量来表述,经过了一系列的分析和证明,发现用焓H和比容V表述的一种新形式的状态方程,可以解决这个问题。该方程初提出时,难免简陋粗糙、存在一定不足,很多人对其报以怀疑的态度。但经福谦学术视野广阔,他敏锐地感觉到这是对传统方程的补充与完善,值得进一步深入研究。面对异议,经福谦淡然说道:

新东西的出现,不了解是正常的。疑问是进步的阶梯,有怀疑才会促进自己进一步挖掘。我们所需要做的只是坚持,在方法和理论上进一步钻研,就一定能达到新的高度。

经福谦亲自翻查资料,做了大量记录。每周他都找吴强两三次,把自己的意见和相关文献拿给他一起讨论分析,并鼓励督促吴强一步步完善建模、改进方程。

经过实验检验,从低压到高压段完全可用吴强和经福谦所提出的统一的物理模型来预测和描述,从而打开了一个新的研究途径。这一物态方程以两人的名字命名,被称为吴-经方程。该方程受到了学科领域内国内外专家的高度关注,得到了国内外同行的高度认可,其代表性论文被美国“应用物理通讯”(APL)接收,并于1995年获得了全国高压物理学会青年优秀论文奖;同时,“疏松材料物态方程研究”获国防科工委科技进步奖二等奖。有国外学者声称,吴-经方程比传统的格临内森状态方程更为优越。

对此,经福谦的评价是:这是对传统状态方程理论的完善,而且吴一经方程与格临内森方程之间能够相互匹配、相互弥补。传统的格临内森状态方程是沿着等容线去描述高压的一些特性,在某些局部或者在某些过程就有它自己的局限性。吴-经方程是从另外一条热力学路径也就是等压路径去描述,所以跟传统的格临内森方程形成一个互补。吴一经方程弥补了格临内森的一些局限性,然后从另外一个角度去描述材料的特性,当然在运用方面可能有比格临内森状态方程优势的地方。

1999年,吴强成为经福谦的博士研究生。经福谦希望能在格临内森状态方程的基础上,进行更宽压力区间和它的一些特性拓展的理论研究。他们从固体材料压缩特性中与“冷贡献”有关的普适性等温物态方程和与“热贡献”有关的格临内森系数的研究进展入手,进行综合分析。约在2003年,在对格临内森系数的高温高压演化特性不作任何假设的前提下,吴强建立了一种不依赖于等温物态方程的具体形式,通过实测雨贡纽物态方程直接确定在绝对零度及压力为零的情况下的等温体积模量以及等温体积模量对压力的一阶导数。通过与实验和理论数据的综合分析和比较,证明这一方法是正确的。与传统的超声测量实验方法和基于近OK或300K等温压缩线的拟合确定方法相比,这一方法不仅简便易行,而且所得到的数据具有较高的精度。根据确定的OK等温物态方程输入参数,推出300K等温线,与多种技术的实验数据和理论计算结果比较,发现在T帕量级的压力范围内,BM物态方程具有良好的普适性。据此,吴强与经福谦提出了一个联立BM物态方程与实测雨贡纽物态方程,按照格临内森系数基本定义直接计算该系数沿雨贡纽线的演化规律的方法。通过理论和经验模型的比较,证明了他们所揭示的格临内森系数的演化特性是合理的。

2004年,在吴强博士论文的基础上,经福谦打算将格临内森状态方程跟吴-经状态方程做进一步有机的关联,推广应用以构建一个在传统热力学框架下的状态方程理论体系,能够准确地预估在千万大气压下材料的静高压特性或者等容压缩特性,并据此着手组织了相应的青年科研人员开展研究。

吴强回忆道:

当时想的是不是把博士论文弄完以后就可以把吴-经状态方程工作继续做进一步的衔接,甚至能够继续推广。因为当时第一步是推广到了千万大气压,然后考虑到多项状态方程相变的问题,所以当时就想构建一个在传统热力学框架下的状态方程理论体系,可能还是偏重于等

容,扩展到格临内森系数的运用,然后考虑如何从动高压对静高压进行反演,或者构建一种比较简便的方法和理论,能够反推静高压。那么对这个传统模型、理论进行一些改进以后,能够准确地预估在千万大气压下材料的静高压特性或者等容压缩特性,这个工作做得比较成功。压力的标准是一个动态标准、动高压情况下不存在压标,动高压三个守恒方程直接推出压力。但静高压必须有压标,我的博士论文的工作解决了目前国际上不同压标之间不匹配的问题。所以按照我们这个方法,建立一个压标,就可以把现在的不同压标之间的差别能够很好的进行统一。这个工作其实也是为了推动静高压的发展,一方面传统的格临内森方程理论,从这个雨贡纽反演静高压等温压缩线,也是希望能够不仅达到几百万大气压,而且能够到千万大气压;另外根据这个方法能够对现在的压标的一些分歧有所认识,也是配合当时静高压的一些工作。

同时,在状态方程研究中,必须开展相应的实验工作,因为冲击波加载的速度快、压力高,不确定因素众多,不可避免地会遇到出乎意料的现象,此时特别需要发挥横向思维能力,启发性的、创新性的进行思考探索。

经福谦的另一位博士生古成钢,在1988年开展的测量冲击波温度的实验中发现记录上有一个脉冲状前端信号,之后才过渡为由传统理论预测的“平台”信号。在经福谦指导下,古成钢紧紧抓住这个疑点不放,经过研究分析,他提出了“热弛豫”的观点,并用牛顿冷却定律对这个现象做了比较好的解释。尽管古成钢的实验记录上还存在某些不尽如人意,但经福谦对他的这种创新意识和能力给予了充分肯定。

在接下来的工作中,由于以前测量冲击温度的方法是先测出界面的平衡温度,由平衡温度计算卸载温度,再由卸载温度计算成冲击波温度。但是,在第一步计算中,需要知道高温高压下实验样品和窗口材料的导热率或热扩散系数,而实际上又无此数据,只能从低温低压数据外推得到,因此计算结果的不确定性很大。根据古成钢所得的结果,经福谦进一步指出,这个现象蕴含了可以直接测出样品卸载温度的前景,从而可以将传统的测量冲击温度技术推进一大步。

为了验证这个想法,他又指导两位学生继续这项研究,开展了进一步的实验进行检验,于1993年证实这个认识是正确的,并对“热弛豫”物理机制做了进一步

的物理解释。有了这一结果,就可以直接测量冲击波卸载温度了,这大大提高了确定冲击温度的精度,具有非常重要的意义。

回忆起经福谦的指导,他的学生吴强深有感触:

我跟经先生这么多年,对经先生的一些工作、一些想法可能要站在更高的角度,或者是战略层面上来理解,这样才可能把这些事串成一个整体,单独的某件事可能是干得非常得漂亮,但是我觉得意义更在于他在战略层面上的一种定位。

开展物态方程研究

日期:2022-06-21

在天体物理、固体物理、地球物理、核爆炸以及惯性约束聚变等研究中,常常需要了解在高压、高温等极端条件下物质行为的知识,对于这种变化规律的探求,可以归结为对物态方程的研究。这是一项非常基础的研究工作,对诸如凝聚态物理、原子分子物理、行星和地球物理等基础学科的发展起着重要的推动作用;由此而获得的规律性认识和基础物理数据,在近代武器物理、材料科学、宇航技术、激光聚变和能源工程等许多应用科学领域也具有十分重要的应用价值。

20世纪60年代,在北京官厅水库的十七号爆轰实验场地,经福谦就与他所领导的科研小组协力开创了我国高压物态方程实验研究这一新领域,建立了一套比较完整的实验设计、测量技术和方法。

但是,在核武器内爆过程中涉及的压力、密度、温度的范围内,固体物质将经历固、液、气、等离子体等多种相态的变化。经福谦敏锐地意识到在禁核试条件下,仅仅依靠爆轰实验所获得的数据是远远不够的,必须深入开展相应的基础研究,建立一个能够在宽广的热力学状态范围内对物质经历的固、液、气、等离子体等物相变化过程进行全面描述的宽区物态方程。约从1980年起,他就着手推动一系列基础研究,开展了对宽区物态方程探索研究。他有一个宏大的目标,不仅要做宽区物态方程,甚至要做到全区!

经先生在会上就提出这个想法,就说我们能不能把物态方程做到全区,我们对后人也是一个贡献、对中国工程物理研究院流体物理研究所基础工作也是一个贡献。

实现全区物态方程这一目标需要长远规划,甚至需要几代人付出努力,但经福谦相信“路虽远,行则必至”。他决定采取分步走的方式,在满足任务需求的前提下,经福谦决定分步完成目标,先完成相应压力温度区间段的材料物态方程研究,再逐步补齐其他区间段。通过一步步完善,期望最终获得全区物态方程。

在成都科技大学应用物理联合所与之共事的杨向东教授对他的这一思想表达了深深的敬佩之情:

要完成任务很重,因为这是一个长远规划,是经先生很重要一个想法,但是要全部实现说不定需要几代人的努力。经先生有这种魄力,有这种胸怀,他能看到未来我们应用物理联合所需要的、中国工程物理研究院流体物理研究所需要的、我们国家需要的,我认为这就是经先生的魄力所在,是一般人做不到的。

在经福谦的带领和推动下,科研工作者们在物态方程研究这一领域正逐步探索,取得了丰硕的研究成果。

在与成都科技大学联合成立的应用物理研究所中,密切结合中国工程物理研究院的主体科研内容,在以武器任务为牵引的纵向推进过程中,经福谦充分发挥团队的横向思维能力,着手从原子间力的角度开展研究爆轰产物的状态方程。

炸药作为武器威力的体现者,几乎用于所有武器系统并在所有军种中装备使用。随着军事科技的发展,对炸药爆轰产物状态方程的研究工作提出了更高的目标,即要求准确描述炸药膨胀性能的同时还要预估各种新炸药配方的爆轰参数。由于这类计算完全是先验性的,没有现存爆轰参数可利用。经福谦决定,充分发挥高压物理学科和原子分子物理学科各自的优势,采用统计学理论,借助产物中各组元的分子作用势和“混合规则”,并通过化学平衡条件和相平衡条件确定产物的成分变量。经过前期的分析,他认为由此导出的状态方程应该具有较高准确性和较好的普适性。

根据这一理论基础,经福谦和他的学生刘福生等人开展了大量工作。从1991年到1997年,他们以自行设计的实验为基础,形成了相应的理论方法,并经过实验反复验证,证实了其有效性与准确性。

1997年的时候,状态方程已经达到了我们要达到的目标了,我们当时基本上对所有炸药都可以预测了,包括各种炸药甚至炸药的混合物的产物状态方程,而且预测的精度可以达到美国的水平。所以当时我们关于炸药爆轰产物这一块还是有不少成果的,这都是在认识的方面相当进步的。当时经老师觉得跟其他学科的合作是可以解决实实在在的问题的。

由于他们抓住了炸药分子结构成分与其爆轰特性之间的本质规律性,这种理论方法的成功标志着炸药爆轰产物状态方程研究工作上了一个新台阶。

在开展研究的过程中不可避免地遇到了很多困难,经福谦的执着精神深深感染了学生们。刘福生回忆起经福谦所说过的话,感触很深:

从结果看来,实际上即使有些很复杂的问题,只要大家专注去做还是会有进展的。经老师觉得美国人能做成我们为什么做不成呢?我们中国人不笨啊,我们为什么做不成呢?所以那时候经先生基本上不觉得有多困难,只是看做不做得出来。

瞄准全区物态方程研究这个目标,在经福谦的带动下,流体物理研究所、成都科技大学、西南交通大学、电子科技大学等单位都开展了相应研究,经过数十年的不懈努力,已获得了较大区域的物态方程参数,取得了突出的成绩。

不仅如此,自1992年起,经福谦还针对一种具有特殊性质的材料——粉末材料——开展了高温高压物态方程研究。由于粉末材料密度低于其密实状态密度,传统上,在不同的压力段要用不同物理模型处理,各压力区所用的模型不一致,因而缺乏统一的理论基础。

在他指导下,吴强运用横向思维的方法,考虑用其他的变量来表述,经过了一系列的分析和证明,发现用焓H和比容V表述的一种新形式的状态方程,可以解决这个问题。该方程初提出时,难免简陋粗糙、存在一定不足,很多人对其报以怀疑的态度。但经福谦学术视野广阔,他敏锐地感觉到这是对传统方程的补充与完善,值得进一步深入研究。面对异议,经福谦淡然说道:

新东西的出现,不了解是正常的。疑问是进步的阶梯,有怀疑才会促进自己进一步挖掘。我们所需要做的只是坚持,在方法和理论上进一步钻研,就一定能达到新的高度。

经福谦亲自翻查资料,做了大量记录。每周他都找吴强两三次,把自己的意见和相关文献拿给他一起讨论分析,并鼓励督促吴强一步步完善建模、改进方程。

经过实验检验,从低压到高压段完全可用吴强和经福谦所提出的统一的物理模型来预测和描述,从而打开了一个新的研究途径。这一物态方程以两人的名字命名,被称为吴-经方程。该方程受到了学科领域内国内外专家的高度关注,得到了国内外同行的高度认可,其代表性论文被美国“应用物理通讯”(APL)接收,并于1995年获得了全国高压物理学会青年优秀论文奖;同时,“疏松材料物态方程研究”获国防科工委科技进步奖二等奖。有国外学者声称,吴-经方程比传统的格临内森状态方程更为优越。

对此,经福谦的评价是:这是对传统状态方程理论的完善,而且吴一经方程与格临内森方程之间能够相互匹配、相互弥补。传统的格临内森状态方程是沿着等容线去描述高压的一些特性,在某些局部或者在某些过程就有它自己的局限性。吴-经方程是从另外一条热力学路径也就是等压路径去描述,所以跟传统的格临内森方程形成一个互补。吴一经方程弥补了格临内森的一些局限性,然后从另外一个角度去描述材料的特性,当然在运用方面可能有比格临内森状态方程优势的地方。

1999年,吴强成为经福谦的博士研究生。经福谦希望能在格临内森状态方程的基础上,进行更宽压力区间和它的一些特性拓展的理论研究。他们从固体材料压缩特性中与“冷贡献”有关的普适性等温物态方程和与“热贡献”有关的格临内森系数的研究进展入手,进行综合分析。约在2003年,在对格临内森系数的高温高压演化特性不作任何假设的前提下,吴强建立了一种不依赖于等温物态方程的具体形式,通过实测雨贡纽物态方程直接确定在绝对零度及压力为零的情况下的等温体积模量以及等温体积模量对压力的一阶导数。通过与实验和理论数据的综合分析和比较,证明这一方法是正确的。与传统的超声测量实验方法和基于近OK或300K等温压缩线的拟合确定方法相比,这一方法不仅简便易行,而且所得到的数据具有较高的精度。根据确定的OK等温物态方程输入参数,推出300K等温线,与多种技术的实验数据和理论计算结果比较,发现在T帕量级的压力范围内,BM物态方程具有良好的普适性。据此,吴强与经福谦提出了一个联立BM物态方程与实测雨贡纽物态方程,按照格临内森系数基本定义直接计算该系数沿雨贡纽线的演化规律的方法。通过理论和经验模型的比较,证明了他们所揭示的格临内森系数的演化特性是合理的。

2004年,在吴强博士论文的基础上,经福谦打算将格临内森状态方程跟吴-经状态方程做进一步有机的关联,推广应用以构建一个在传统热力学框架下的状态方程理论体系,能够准确地预估在千万大气压下材料的静高压特性或者等容压缩特性,并据此着手组织了相应的青年科研人员开展研究。

吴强回忆道:

当时想的是不是把博士论文弄完以后就可以把吴-经状态方程工作继续做进一步的衔接,甚至能够继续推广。因为当时第一步是推广到了千万大气压,然后考虑到多项状态方程相变的问题,所以当时就想构建一个在传统热力学框架下的状态方程理论体系,可能还是偏重于等

容,扩展到格临内森系数的运用,然后考虑如何从动高压对静高压进行反演,或者构建一种比较简便的方法和理论,能够反推静高压。那么对这个传统模型、理论进行一些改进以后,能够准确地预估在千万大气压下材料的静高压特性或者等容压缩特性,这个工作做得比较成功。压力的标准是一个动态标准、动高压情况下不存在压标,动高压三个守恒方程直接推出压力。但静高压必须有压标,我的博士论文的工作解决了目前国际上不同压标之间不匹配的问题。所以按照我们这个方法,建立一个压标,就可以把现在的不同压标之间的差别能够很好的进行统一。这个工作其实也是为了推动静高压的发展,一方面传统的格临内森方程理论,从这个雨贡纽反演静高压等温压缩线,也是希望能够不仅达到几百万大气压,而且能够到千万大气压;另外根据这个方法能够对现在的压标的一些分歧有所认识,也是配合当时静高压的一些工作。

同时,在状态方程研究中,必须开展相应的实验工作,因为冲击波加载的速度快、压力高,不确定因素众多,不可避免地会遇到出乎意料的现象,此时特别需要发挥横向思维能力,启发性的、创新性的进行思考探索。

经福谦的另一位博士生古成钢,在1988年开展的测量冲击波温度的实验中发现记录上有一个脉冲状前端信号,之后才过渡为由传统理论预测的“平台”信号。在经福谦指导下,古成钢紧紧抓住这个疑点不放,经过研究分析,他提出了“热弛豫”的观点,并用牛顿冷却定律对这个现象做了比较好的解释。尽管古成钢的实验记录上还存在某些不尽如人意,但经福谦对他的这种创新意识和能力给予了充分肯定。

在接下来的工作中,由于以前测量冲击温度的方法是先测出界面的平衡温度,由平衡温度计算卸载温度,再由卸载温度计算成冲击波温度。但是,在第一步计算中,需要知道高温高压下实验样品和窗口材料的导热率或热扩散系数,而实际上又无此数据,只能从低温低压数据外推得到,因此计算结果的不确定性很大。根据古成钢所得的结果,经福谦进一步指出,这个现象蕴含了可以直接测出样品卸载温度的前景,从而可以将传统的测量冲击温度技术推进一大步。

为了验证这个想法,他又指导两位学生继续这项研究,开展了进一步的实验进行检验,于1993年证实这个认识是正确的,并对“热弛豫”物理机制做了进一步

的物理解释。有了这一结果,就可以直接测量冲击波卸载温度了,这大大提高了确定冲击温度的精度,具有非常重要的意义。

回忆起经福谦的指导,他的学生吴强深有感触:

我跟经先生这么多年,对经先生的一些工作、一些想法可能要站在更高的角度,或者是战略层面上来理解,这样才可能把这些事串成一个整体,单独的某件事可能是干得非常得漂亮,但是我觉得意义更在于他在战略层面上的一种定位。