Page 11 - 《爆炸与冲击》2026年第11期

第 46 卷 黄海军，等： 氟化铅高压声速研究：高阻抗标准窗口的发现 第 11 期

PbF 声速的实验测量值和模拟结果，二者高度一致。在高压下，液态 PbF 的声速 c （单位为 km/s）与粒子
2
2
s
速度 u （单位为 km/s）之间呈线性关系，拟合结果如下：
p
(11)
c s = 2.881(57)+1.144(24)u p
其线性拟合截距为 2.881 km/s，与 PbF 在常压条件下的体声速 2.854 km/s [40] 基本吻合。除了 PbF ，McCoy
2
2
[9]
等 发现液态铜的声速与粒子速度也具有相同特征，该规律是否为普适的还需进一步验证。
基于上述实测声速数据，液态 PbF 的 2 Grüneisen 参数 γ 可由下式 直接求解：
[9]
Å ã ï Å ã ò ( )
dp γ V V 0 γ p
2
c = −V 2 1− 1− +V 2 (12)
s
dV V 2 V 2
H V 0
图 12 展示了 γ 的实验测量结果与 QMD 模拟结果。2 组数据虽然存在小幅偏差，但是鉴于 γ 对声速
变化具有高度敏感性，该偏差是可以接受的。利用式 (9) 对实验数据进行拟合，得到 γ =0.78(6) 和 q=
0
−0.64(13)。通常情况下，γ 随压缩密度的增大而减小，即 q＞0，因此 q＜0 较少见。已有研究指出，部分液
态硅酸盐和二氧化硅体系中同样存在 γ 随密度的增大而上升的反常规律，该现象被解释为 Si–O 配位数
的连续增加 [10, 41-43] 。液态 PbF 的 2 γ 值反常变化是否与 Pb–F 配位数和局域结构变化有关，还需要通过理
论进一步研究。

8.0 1.5
1.4
7.5 γ 0 =0.78(6)
1.3
7.0 q=−0.64(13)
c s=2.881(57)+1.144(24)u p 1.2
c s/(km·s −1 ) 6.0 γ 1.0 γ 0=0.85(3)
6.5
1.1
5.5
Experimental data 0.9 q=−0.35(5)
0.8
5.0
QMD 0.7 Experimental data
4.5 Linear fitting results 0.6 AIMD data
4.0 0.5
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0
−1
−3
u p /(km·s ) ρ/(g·cm )
图 11 冲击加载下 PbF 2 的声速与粒子速度的关系 图 12 Grüneisen 参数随密度变化的实验和理论模拟结果
Fig. 12 Variation of Grüneisen parameter with density
Fig. 11 Sound velocity of shocked PbF 2
as a function of particle velocity obtained by experiment and simulation

2.2 高压下 PbF 的金属化相变
2
除高阻抗特性，PbF 还具备另一核心优势：当冲击压力超过 89.6 GPa 时，能够用 DISAR 系统直接测
2
量 PbF 的冲击波速度与稀疏波追赶上冲击波的时间，为高精度测量其他材料的声速提供关键实验支
2
撑。实验结果显示：当冲击压力超过 75.9 GPa 时（实验 0702），PbF 冲击波阵面可以反射激光信号，但信
2
号较弱（图 13(a)）；当冲击压力提升至 89.6 GPa 时（实验 0605），反射的激光信号显著增强（图 13(b)）。这
一现象表明，在强冲击压缩条件下，PbF 发生压力诱导金属化相变。
2
为 进 一 步 明 确 高 压 下 液 态 P b F 2 的 金 属 化 行 为 ， 基 于 Q M D 方 法 ， 模 拟 获 得 了 在 0 、 6 3 、 9 2 、
137 GPa 冲击压力下 PbF 的电子态密度（density of state, DoS）分布（图 14）。在零压下，费米能级处态密
2
度为零，价带与导带间存在显著带隙，表明常温常压下 PbF 是典型绝缘体；当压力为 63 GPa 时，带隙显
2
著收窄，费米能级处仍无电子占据，液态 PbF 呈现半导体特征；当压力升至 92 GPa 及以上时，带隙完全
2
闭 合 ， 费 米 能 级 处 态 密 度 持 续 增 大 ， 证 实 液 态 PbF 完 全 金 属 化 。 结 合 实 验 观 测 和 理 论 模 拟 结 果 ，
2
89.6 GPa 为液态 PbF 金属化相变临界压力。
2
冲击诱导金属化相变是高压材料的普遍现象，并非 PbF 独有。例如，α-石英（SiO ）在 90～100 GPa
2
2
以上出现金属化，其冲击波阵面能够反射激光信号，且具有完备的 Hugoniot 曲线和等熵卸载曲线，常作

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