авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Астрологический Прогноз на год: карьера, финансы, личная жизнь


Электрофизические и термодинамические свойства ударно-сжатых кальция, калия и скандия

На правах рукописи

ШАХРАЙ ДЕНИС ВЛАДИМИРОВИЧ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УДАРНО-СЖАТЫХ КАЛЬЦИЯ, КАЛИЯ И СКАНДИЯ 01.04.17 – Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 2007

Работа выполнена в Институте проблем химической физики РАН.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, Постнов Виктор Иванович доктор физико-математических наук, Молодец Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Дегтярева Валентина Феогниевна кандидат физико-математических наук, Хищенко Константин Владимирович

Ведущая организация: Томский государственный университет

Защита диссертации состоится «_17» _октября 2007 г.

в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.082.01 при Институте проблем химической физики РАН по адресу: 142432, Московская обл., г.Черноголовка, пр-т академика Семенова 1, ИПХФ РАН, корпус 1/2, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПХФ РАН.

Автореферат разослан «» _ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Юданов А.А.

Общая характеристика работы

Актуальность. Изменения физических свойств конденсированных сред при уменьшении межатомного расстояния в результате сильного сжатия является фундаментальной проблемой физики высоких давлений. Эта проблема охватывает широкий круг научных тем, среди которых исследования элементов периодической системы занимают важное место.

В последние годы было обнаружено, что фазы высокого давления представительного ряда элементов периодической системы (Li, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Si, As, Sb, Bi, Sc и др.) проявляют неожиданную тенденцию при полиморфных переходах (см. [1-3] и ссылки в них) – в области давлений до 100 ГПа плотность упаковки и симметрия каждой последующей по давлению фазы вопреки принятым представлениям оказываются не выше, а ниже, чем у предыдущих фаз.

Понижение симметрии и плотности упаковки сложных структур в фазах высокого давления элементов I и II групп к которым относятся K, Ca, Sc связывают с переходом s–электронов в d– или p–зону при сильном сжатии. Электроны частично занимают направленные в пространство между атомами орбитали, что приводит к уменьшению плотности заряда на ядре и потере сферической симметрии атомов и, в конечном итоге, к появлению сложных структур. При этом превращения металлов первых периодов в разнообразные непредсказуемые структуры характеризуются немонотонным изменением электросопротивления.

Следует отметить, что необычные структуры и их свойства были обнаружены и изучаются в подавляющем большинстве в условиях изотермического статического сжатия для температур не выше комнатной.

Изучение физических свойств этих структур в ударных волнах до настоящего времени не предпринималось. В то же время, очевидно, что сопутствующий высокому давлению ударного сжатия разогрев материала позволяет достигать высокотемпературные области существования необычных фаз высокого давления. При этом ряд экспериментальных и теоретических методов физики ударных волн позволяет определять изменения физических свойств необычных фаз в зависимости от температуры и давления и тем самым исследовать фазы высокого давления в труднодоступных участках их фазовых диаграмм. В этой связи исследования поведения сложных структур в условиях ударного сжатия представляют собой актуальную задачу.

Цель работы. Цель данной диссертации заключается в комплексном исследовании электрофизических и теплофизических свойств фаз высокого давления таких элементов I и II групп как Ca, K и Sc и выявлении индивидуальных особенностей фазовых переходов, протекающих в этих металлах при высоких давлениях и температурах ударного сжатия.

Объект исследования. Полиморфные модификации и фазы высокого давления с пониженной плотностью упаковки металлов I и II групп периодической системы элементов Менделеева (K, Ca и Sc).

Методы исследования. Электрофизические свойства калия, кальция и скандия в условиях ударного нагружения изучались с помощью методики непрерывной регистрации электрического сопротивления исследуемых образцов в процессе ударного сжатия. Давление в ударных волнах измерялось методом манганинового датчика. Различные режимы (однократный, ступенчатый) ударного сжатия образцов создавались ударом плоских металлических пластин, разогнанных продуктами взрыва до скоростей 2-4 км/сек. Расчет термодинамических и кинетических параметров ударно сжатых фаз высокого давления исследуемых металлов осуществлялся в рамках полуэмпирического подхода.

Научная новизна.

1. Впервые исследованы электрофизические свойства фаз высокого давления кальция, калия и скандия в малоизученной области высоких давлений и температур до 80 ГПа и до 2000 К соответственно.

2. Показано, что при ударно-волновом нагружении Sc испытывает полиморфный переход в несоразмерную фазу высокого давления.

3. В рамках новой полуэмпирической методики построены уравнения состояния полиморфных модификаций К, Ca и Sc, в том числе их несоразмерных фаз высокого давления Sc-II и K-III.

4. Определен наклон линии равновесия между фазой низкого давления скандия Sc-I и его несоразмерной фазой высокого давления Sc-II в диапазоне давлений до 20 ГПа.



5. Определен наклон линии равновесия между ГЦК и ОЦК фазами кальция в диапазоне давлений 40 ГПа Практическая ценность. В работе отлажен ряд взрывных устройств для разгона ударников из нержавеющей стали толщиной 3,5- мм до скоростей 2-4 км/сек, позволяющих генерировать ударные волны амплитудой до 90 ГПа при диаметре плоского участка 40 мм. Разработана новая полуэмпирическая методика, позволяющая реконструировать ударные адиабаты металлов по изотерме высокого давления, а также рассчитывать термодинамические состояния ударно сжатых фаз высокого давления. В целом полученные результаты в сочетании с независимыми изотермическими и ударно волновыми экспериментальными данными позволили расширить границы исследования свойств исследованных металлов и их полиморфных модификаций в экстремальных условиях.

Публикации и апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (п.Эльбрус 2003г., 2005г и 2007г.), Международной конференции «Shock Compression of Condensed Matter» (Baltimore, USA, 2005), Международной конференции «XIII Симпозиум по горению и взрыву» (Черноголовка, 2005), на Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем», на Международной конференции «Кристаллография при высоком давлении (Дубна, 2006), Уравнения состояния вещества» (п.Эльбрус 2004г. и2007г.), Joint 21st AIRAPT Conference (Catania, Italy, 2007), Conference of the Yugoslav Material Research Society (Montenegro, 2007), а также на научных семинарах и конкурсах научных работ в ИПХФ РАН. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 в рецензируемых журналах и 7 в сборниках трудов и тезисов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа объемом 109 страниц состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные результаты работы. В работе содержится рисунка и 9 таблиц, список литературы включает 99 библиографических ссылок.

Содержание работы.

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цели работы, описана структура диссертации, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Литературный обзор посвящен рассмотрению главным образом изменению макроскопических электрофизических и термодинамических свойств металлов, происходящих при их полиморфных переходах в условиях изотермического и ударно-волнового нагружения. При этом основное внимание уделено фазам высокого давления с пониженной плотностью упаковки. Дело в том, что до недавнего времени считалось, что под действием давления плотность упаковки каждой последующей по давлению фазы должна быть больше предыдущей. Однако по мере расширения диапазона давлений обнаружилась противоположная закономерность. Рентгеновская дифракция от фаз высокого давления элементов I, II, IV, и V групп периодической таблицы вместо повышения симметрии показала её снижение, а вместо увеличения координационного числа - его уменьшение см. [1-3]. Образующиеся под действием давления низкоплотные фазы с пониженной степенью симметрии получили название несоразмерных host-guest кристаллических структур в виду того, что, как правило, являются состоящими из двух взаимопроникающих субструктур с несоразмерными по одному из кристаллографических направлений периодами трансляции.





В макроскопическом отношении эти переходы проявляют себя как обычные полиморфные переходы первого рода – при изотермическом сжатии обнаруживаются скачки объёма. Скачки и немонотонности проявляются и на зависимостях электрофизических свойств от давления.

В обзоре рассмотрены как изотермические статические, так и ударно волновые экспериментальные данные, характеризующие полиморфные переходы с макроскопической точки зрения. Отмечается, что между изломами ударных адиабат и зафиксированными скачкообразными или немонотонными изменениями электропроводности исследуемых образцов имеется корреляция.

Отмечается, что подавляющая часть экспериментальных данных о полиморфных переходах в необычные фазы высокого давления получена при комнатной температуре. В связи с этим расширение диапазона температур при проведении измерений электросопротивления в области высоких давлений существования сложных структур обозначено как естественное развитие исследований. При этом высказывается мнение, что эта задача может быть частично решена методами физики ударных волн, поскольку ударное давление сопровождается разогревом вещества.

Следовательно, изменяя амплитуду ударной волны можно изменять температуру вещества за фронтом ударной волны. Однако для корректной интерпретации экспериментальных данных с учетом температуры необходимо привлечение уравнений состояния фаз высокого давления Рассмотрены схемы построение уравнений состояния фаз высокого давления и расчет термодинамических параметров как на основе первопринципных расчетов, так и в рамках полуэмпирического уравнения состояния в форме Ми-Грюнайзена, хорошо себя зарекомендовавшего себя в физике ударного сжатия.

На основании рассмотренных работ сформулировано состояние вопроса и ряд задач в исследовании макроскопических электрических и термодинамических свойств необычных фаз высокого давления металлов:

Исследования изотермического сжатия фаз высокого давления с пониженной плотностью упаковки проведены в подавляющем большинстве лишь для комнатной температуры. В связи с этим местоположение линий равновесия фаз высокого давления калия скандия и кальция к настоящему времени неизвестны.

Измерения электросопротивления фаз высокого давления также проведены лишь при невысоких температурах. Поэтому расширение диапазона температур при проведении измерений электросопротивления в области высоких давлений существования сложных структур представляет собой актуальную задачу.

Регистрация электросопротивления ударно сжатых металлов позволяет надежно регистрировать скачки электропроводности, обусловленные полиморфными превращениями при динамическом нагружении. Вместе с этим интерпретация результатов здесь требует наличия уравнений состояния новых фаз высокого давления. Поэтому построение полуэмпирических уравнений состояния новых фаз высокого давления, обеспечивающие расчеты термодинамических параметров ударно сжатых фаз представляет собой актуальную задачу.

Ударные адиабаты кальция и скандия, измеренные в широком диапазоне динамических давлений, обнаруживают изломы, которые интерпретировались в свое время без учета последних данных о своеобразии новых фаз высокого давления. Поэтому особенности ударных адиабат кальция и скандия разумно проанализировать еще раз с учетом этой новой информации.

Первая глава посвящена рассмотрению используемых в работе взрывных устройств, позволяющих создавать динамические давления в исследуемых образцах до 100 ГПа, а также основных методов регистрации электрических откликов ударно-сжатых металлов при одноосном сжатии. В данной работе ударно-волновое нагружение исследуемых образцов осуществлялось посредством соударения с ними металлических пластин, метаемых со скоростями 1,5 3,2 км/с с помощью специальных взрывных Рисунок 1. Схема взрывного устройства для разгона ударников.

1-электродетонатор 2-подставка под ЭД 3- генератор плоской волны 4- таблетка ВВ 5-кольцо 6-ударник 7-экран 8-образец устройств [4], принципы метания которых основаны на использовании энергии детонирующего ВВ (рис.1.). Варьирование материалов метаемых пластин, их толщины и конструкций взрывных устройств позволяет генерировать в образцах импульсы сжатия различной амплитуды. Для ударного-волнового нагружения исследуемых образцов наряду с известными взрывными пушками [4] с рабочим диапазоном давлений до 40ГПа использовались отработанные в рамках работы конструкции взрывных пушек с ударниками из нержавеющей стали Х18Н10Т, позволившие расширить диапазон реализуемых давлений до 90 ГПа.

Слоевая конструкция ячейки, представленная на рис.2. обеспечивает Рисунок 2. Схема измерительной ячейки Рисунок 3. Схематическое для реализации ступенчатого нагружения 1- представление процесса ступенчатого ударник, 2-образец, 3-манганиновый датчик, сжатия образца.

4-экраны, 5-тефлон ступенчатое сжатие образца, поскольку между двумя ударно нагружаемыми пластинами 4 расположен материал с меньшей динамической жесткостью 5. В такой ячейке сжатие образца до максимального давления будет происходить не сразу, а в результате прохождения серии ударных волн, циркулирующих между пластинами.

Схематически этот процесс представлен на Рис.3. Для регистрации ударно-волнового профиля использовался манганиновый датчик, откалиброванный до 120ГПа [5]. Представленная на рис.2. конструкция измерительной ячейки позволяет проводить одновременное измерение как профиля давления в ячейке так и значение электросопротивления образца при этом давлении.

Во второй главе представлена первичная экспериментальная информация, полученная в диссертации при исследовании полиморфных переходов в калии, кальции и скандии.

Калий. В силу высокой реакционной способности калия все операции, связанные с изготовлением образцов и присоединением к ним электрических выводов выполнялись в вакуумном боксе, заполненном сухим гелием марки ВЧ. На Рис. 4-5 приведены типичные экспериментальные осциллограммы. Зафиксированное изменение относительного сопротивления составляет более 20 раз при давлении ГПа. В разгрузке профиль электросопротивления с некоторой задержкой повторяет профиль давления. Такой характер зависимости электрического сопротивления образца сохраняется независимо от амплитуды максимального давления, которое варьировалось в пределах 25-85ГПа.

1 2 3 4 1 2 1200 35 Voltage, mV Pressure, GPa Voltage, mV Pressure, GPa 500 25 20 0 1 2 3 1 2 Time, µs Time, µs Рисунок 4. Осциллограмма эксперимента Рисунок 5. Осциллограмма эксперимента по измерению электропроводности калия в по измерению электропроводности калия условиях ступенчатого сжатия до 35 ГПа. в условиях ступенчатого сжатия до 65 ГПа.

Следует отметить, что зафиксированные значения электросопротивления при давлениях ~7GPa и выше относятся к расплаву калия. Этот факт является следствием высокой температуры образца в силу его высокой сжимаемости. Оцененная температура образцов при 60 ГПа составляет свыше 3000К, при этом изменение плотности относительно ее исходного значения составляет 3.3 раза.

Кальций. Образцы для исследований изготавливались из фольги толщиной 120мкм и чистотой 99,5%. Как и в экспериментах с калием изготовление образцов и монтаж измерительной ячейки осуществлялись в вакуумном боксе, заполненном сухим гелием марки ВЧ. Результаты ударно-волновых экспериментов по измерению электрического сопротивления представлены на Рис. 6-7. Анализируя экспериментальные профили видно, что зависимость электрического сопротивления образцов кальция от давления имеет немонотонный характер.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3, 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3, 80 60 6, 6, 5, - Specific resistance, (Оhm*см)* 5,0 4, 40 Pressure, GPa 4, Pressure, GPa Voltage,mV 3,5 40 3, 2, 2,0 20 1, 10 1, 0,5 0 0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3, 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3, Time,µs Time, µs Рисунок 6. Осциллограмма Рисунок 7. Осциллограмма эксперимента по измерению эксперимента по измерению электропроводности кальция в условиях электропроводности кальция в условиях ступенчатого сжатия до 55 ГПа. ступенчатого сжатия до 65 ГПа.

В момент прихода ударной волны электросопротивление скачкообразно возрастает одновременно с давлением. С приходом отраженной ударной волны электросопротивление продолжает расти, однако, начиная с некоторого момента, не смотря на продолжающийся рост давления, сопротивление образца начинает падать. Такой характер зависимости электросопротивления оказывается обратимым и в разгрузке наблюдается симметричная картина. Зафиксированное изменение сопротивления с учетом сжимаемости образца составляет 7,5 раз.

Скандий. Относительно высокая температура плавления скандия (1541°С) и слабое изменение плотности с ростом давления позволили получить экспериментальные данные по электропроводности полиморфных кристаллических фаз скандия в широком диапазоне давлений. Экспериментальные зависимости электрического сопротивления образцов скандия в условиях ударно-волнового сжатия приведены на Рис. 8-9, из которых видно, что в диапазоне давлений до ГПа (Рисунок 8) не наблюдается каких-либо особенностей в поведении электросопротивления. Хорошо видно, что его профиль в точности отслеживает ступенчатый процесс набора давления. Однако при повышении максимального давления до 90 ГПа (Рисунок 9) наблюдается немонотонный характер изменения электрического сопротивления, аналогичный зафиксированному ранее в экспериментах с кальцием.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3, 0 1 2 3 1000 350 300 Resistance, mV Resistance, mV Pressure, kbar Pressure, kbar 200 150 500 50 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3, 0 1 2 3 Time, µs X Axis Title Рисунок 8. Осциллограмма эксперимента Рисунок 9. Осциллограмма эксперимента по измерению электропроводности по измерению электропроводности скандия в условиях ступенчатого сжатия скандия в условиях ступенчатого сжатия до 30 ГПа. до 90 ГПа.

Третья глава посвящена реконструкции уравнения состояния Ми Грюнайзена и ударных адиабат твёрдого тела по его изотерме. Высокая точность количественной информации для изотермической зависимости давления от объёма наряду с широким диапазоном давления позволяет сформулировать задачу построения уравнений состояния твёрдого тела без привлечения данных по ударному сжатию, как это обычно имело место ранее. Уравнение состояния Ми-Грюнайзена представляет собой математическую формулировку предположения о том, что тепловое давление Pt равное разности между полным P и «холодным» Px давлением прямо пропорционально разности между полной E и «холодной» Ex энергиями деленной на объём V (1.1).

(E E x ) P Px = (1.1) V Коэффициент пропорциональности в (1.1), называемый коэффициентом Грюнайзена, представляет собой функцию, зависящую лишь от объёма:

= (V ) (1.2) Уравнение состояния Ми-Грюнайзена может быть записано не только с опорой на «холодную» изотерму Px=Px(V,T0), Ex=Ex(V,T0), где T0=0 К как в (1.1), но и на любую другую изотерму, например, комнатную PS=PS(V, T0), ES=ES(V, T0) где T0=300 К (E E S ) P PS = (1.3) V Достоверность уравнения состояния Ми-Грюнайзена зависит главным образом от качества и физического смысла используемых опорных (V).

функций давления, энергии и В диссертации предлагается определять функции PS(V), ES(V) и (V) на основе комнатной изотермы в виде [6,7]. При этом экспериментальная информация по изотермам сжатия твердых тел и их полиморфных модификаций представлена в аналитическом виде как PS ( x, T0 ) = S1 Fx ( x ) + S 2 (1.4) E S ( x, T0 ) = S (S1 H x ( x) + S 2 x ) + S 3 (1.5) 2 2x = + (1.6) 3 1 x, где 5 2 1 4 1 Fx ( x) = 3( x 3 + 2 x 3 + 6 x 3 x 3 + x 3 ) (1.7) 5 2 1 4 7 1 3 1 H x ( x ) = 9( x 3 + 2 x 3 + x 3 x 3 + x) (1.8) 10 2 7 V x= (1.9) S В (1.4)-(1.9) S1, S2 и S представляют собой подгоночные параметры, S3 – константа интегрирования. Оптимальными значениями параметров S1, S2 и S считаются те, которые наилучшим образом описывают экспериментальные точки комнатной изотермы сжатия в координатах давление-объём. Если эти параметры найдены, то объёмная зависимость коэффициента Грюнайзена =(V) определяется по формуле Слэтера в виде (1.6), применённой к комнатной изотерме в форме (1.4).

Таким образом, соотношения (1.3)-(1-9) вместе с подгоночными коэффициентами S1, S2, S определяют уравнение состояния твёрдого тела Ми-Грюнайзена, построенное лишь по одной экспериментальной изотерме высокого давления. При таком подходе ударно волновые данные становятся независимым экспериментом и могут быть использованы в качестве критерия достоверности этих уравнений состояния.

Тестовые расчеты ударных адиабат на примере различных металлов (рис.10) показали хорошее согласие с экспериментальными данными. На рис.11 показаны результаты расчета процесса соударения медной пластины, летящей со скоростью 3,44км/с с медной преградой.

Рисунок 10. Расчетные (линии) и Рисунок 11. Тестовые расчеты экспериментальные (точки) адиабаты термодинамических параметров ударного различных металлов. сжатия меди.

Таким образом, рис. 11 является также проверкой работоспособности построенного уравнения состояния в качестве замыкающего численную газодинамическую схему плоского одномерного течения. Численный расчет выполнен с помощью уравнения состояния меди, построенного по ее экспериментальной изотерме высокого давления. Ключевые параметры, такие как максимальное давление, максимальная и остаточная температуры с точностью до 2,5% совпадают с данными из [8].

Таким образом, предложенная методика протестирована на таких металлах как Al, Mo, Ta, Cu, Au. В третьей главе представлены построенные уравнения состояния ряда металлов и их фаз высокого давления с пониженной плотностью упаковки – Rb-I, Rb-II, Rb-IV, K-I, K-II, K-III, Ca1, Ca2, Ca3, Sc-I, Sc-II.

Четвертая глава посвящена обсуждению результатов по исследованию электрофизических и термодинамических свойств ударно сжатых калия, кальция и скандия.

Калий. Сочетание низкой температуры плавления и высокой сжимаемости калия приводит к тому, что ударная адиабата пересекает кривую плавления при давлении 1ГПа, поэтому все экспериментальные данные для калия относятся к его расплаву. На рис.12 показано взаимное расположение экспериментального профиля давления и расчетного профиля температуры.

Видно, что наибольшее отношение U/U0 и расположение пропорциональное ему Рисунок 12. Взаимное экспериментального профиля отношение электросопро электросопротивления и расчетного профиля тивления R/R достигается температуры ударно-сжатого калия именно в первой ударной волне, когда рост температуры максимален. С приходом второй и последующих ударных волн рост отношения R/R0 замедляется в той же мере, в какой снижается рост температуры. В целом профиль электросопротивления образца калия следит за изменением температуры, а не за изменением давления. В работе также показано, что в диапазоне трехкратных сжатий и температур до 6000К удельное электросопротивление расплава калия возрастает в 20 раз. При этом характер зависимости от объёма и температуры различен при сжатии и разгрузке. В волне сжатия превалирует температурный вклад, в волне разгрузки превалирует вклад от изменения объёма.

Кальций. Расчет ударной адиабаты Са, выполненный с помощью построенного уравнения состояния позволил выявить на экспериментальной ударной адиабате несколько характерных участков.(Рис.13 ): 1-ГЦК фаза, 2-сместь ГЦК и ОЦК, 3-ОЦК фаза, 4-сместь Рисунок 13. Ударная адиабата кальция в D-u координатах.

ОЦК и расплава, 5- расплав. Это позволило определить наклон линии а б равновесия между ГЦК и ОЦК фазами, рассчитать ударные адиабаты в окрестности линий равновесия. В кальции зафиксированы профили электросопротивления двух типов- монотонный и немонотонный (рис.14).

Расчеты линии равновесия ГЦКОЦК Са с учетом температуры показывают, что термодинамические состояния в первых двух ударных волнах располагаются, скорее всего, в области устойчивости ОЦК фазы.

Следовательно, первые два скачка электросопротивления соответствующие а б Рисунок 14. Профили давления и электросопротивления кальция при ударно волновом нагружении. а- кристаллическая фаза Са, б- расплав Са.

моментам времени t1 и t2 относятся к твердой фазе ОЦК кальция (рис.14а).

Однако изменение электросопротивления образца кальция с увеличением давления происходит немонотонно - скачку давления в третьей ударной волне в момент t3 сопутствует не увеличение, а скачкообразное уменьшение электросопротивления.

Это уменьшение электросопротивления обусловлено фазовым переходом ОЦК ПК. Что же касается температуры в третьей ударной волне, то из-за недостатка теплофизических данных для ПК Ca её расчет был выполнен с использованием свободной энергии ОЦК Ca. Разумеется, что при таком расчёте не учитывается излом ударной адиабаты на линии равновесия ОЦК CaПК Ca, определяемый теплотой перехода этого полиморфного превращения. Вычисленные значения температуры и удельного сопротивления, а также соответствующие им экспериментально полученные значения давления приведены в Таблице1 (звездочкой обозначены данные, относящиеся к расплаву) Таблица, фаза Ca P, ГПа T, К 1/V, г/см ±8% 10-5омсм 1.20 14 810 2. ОЦК Са 2.17 28 1080 2. 1.45 18 1325 2. 1.66 36 ПК Са (150) 1.78* 41* 1210* (150) 1.18 32 1580 3. расплав Са 1.00 63 2200 3. 2.17* 76* 2370* 4.363* Скандий. Расчет ударных адиабат Sc-I и Sc-II с использованием уравнения состояния, построенного в Главе 3 при Em=0 дает две прямые, которые подразделяют весь массив экспериментальных точек на четыре подмножества ( Рис. 15). В интервале давлений ударного сжатия Ph =0 16.5 ГПа ряд экспериментальных точек попадает на прямую Sc-I, в интервале давлений 38-53 ГПа на прямую Sc-II, интервал давлений 16.5 38 ГПа принадлежит точкам смеси фаз Sc-I и Sc-II, а в интервале 38- ГПа располагаются точки ударно сжатой несоразмерной фазы Sc-II. При давлении Ph 53 ГПа экспериментальные точки не принадлежат ни прямой Sc-I ни прямой Sc-II и соотносятся с другими фазами высокого давления скандия. На Рис. 16 показаны экспериментальные данные по измерению электросопротивления и давления в первых четырех i ступенях ударного сжатия скандия при малой (треугольники) и большой (точки) скорости ударника. На этом же рисунке показаны границы существования фаз по Рисунок 15. Ударная адиабата однократного Рисунок 16. Зависисмость сжатия Sc-I и Sc-II в D-u координатах электросопротивления скандия от давления и температуры при ударном сжатии давлению в соответствии с Рис. 15. Видно, что первый треугольник прина длежит фазе низкого давления Sc-I, а треугольники 2, 3, 4 попадают в область смеси фаз Sc-I+ Sc-II. Видно также, что в области смеси фаз Sc I+Sc-II возникает особенность в поведении Ri=Ri(Pi). Выполненные оценки объемно-температурной зависимости удельного электросопротивления скандия с привлечение формулы Блоха-Гюнайзена показаны звездочками.

Как видно (Рис.16) различие сопротивлений между расчетом и экспериментом в первой ступени ударного сжатия превышает суммарную погрешность эксперимента и оценки. Следовательно, особенность Ri(Pi) в диапазоне давлений 20-40 ГПа обусловлена полиморфным переходом Sc I в несоразмерную фазу Sc-II при ударном сжатии. Различный характер оценочной и экспериментальной кривой на Рис.16 обусловлен тем, что точки i=1 и i=2 принадлежать разным фазам скандия- точка i= принадлежит почти полностью превращенному Sc-I, а i=2 точка почти полностью превращенному Sc-II.

Основные результаты работы 1. В работе исследованы электрофизические свойства фаз высокого давления кальция, калия и скандия в малоизученной области высоких давлений и высоких температур до 80 ГПа и до 2000 К соответственно 2. Показано, что при ударно-волновом нагружении Sc испытывает полиморфный переход в несоразмерную фазу высокого давления 3. На ударной адиабате скандия выявлена последовательность областей, принадлежащих различным фазам скандия: область Sc-I (давление ударного сжатия Ph=0-16.5 ГПа);

область несоразмерной фазы Sc-II (Ph =38-53 ГПа);

область смеси фаз Sc-I и Sc-II (Ph =16.5-38 ГПа);

и области последующих фаз высокого давления (Ph53 ГПа) 4. Определен наклон линии равновесия между фазой низкого давления скандия Sc-I и его несоразмерной фазой высокого давления Sc-II при высоких (20 ГПа) давлениях.

5. Исследовано удельное электросопротивление двух ударно-сжатых твердых фаз кальция и его расплава в области высоких давлений 10- гигапаскалей и температур 1000-2000 кельвинов. Определен наклон линии равновесия между гцк-Ca и оцк-Ca фазами кальция и выявлен ход ударных адиабат кальция в области до 40 ГПа. Установлено, что при плавлении в ударной волне кальций уменьшает свой удельный объем 6. Разработана новая полуэмпирическая методика построения уравнения состояния Ми-Грюнайзена твердого тела по его изотерме высокого давления. Методика протестирована на таких металлах как Al, Mo, Ta, Cu, Au 7. В рамках новой полуэмпирической методики построены уравнения состояния ряда металлов и их фаз высокого давления с пониженной плотностью упаковки: K-I, K-II, K-III, Ca1, Ca2, Ca3, Sc-I, Sc-II 8. Отлажен ряд взрывных устройств для разгона толстых (до 6 мм) ударников из нержавеющей стали до скоростей 2-4 км/сек, позволяющих генерировать ударные волны амплитудой до 90 ГПа при диаметре плоского участка 40 мм.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях 1. A.M. Molodets, D.V. Shakhray, A.A. Golyshev, V.E. Fortov «Electrophysical and thermodynamic properties of shock compressed incommensurate phase Sc-II» // Physical Review B, 2007, V. 75. No 22. P.

2. A.M. Molodets, D.V. Shakhray D.V., Golyshev A.A., Babare L.V., Avdonin V.V. The equation of state of solids from high pressure isotherm. // High Pressure Research. 2006. V. 26. No 3. P. 223- 3. В.Е. Фортов, А.М. Молодец, В.И. Постнов, Д.В. Шахрай, К.Л. Каган, Е.Г. Максимов, А.В. Иванов, М.В. Магницкая «Электрофизические свойства кальция при высоких давлениях и температурах» // Письма в ЖЭТФ, том 79, вып.7, с. 425-431 2004.

4. Д. В. Шахрай, А.А. Голышев, А.М. Молодец, В.Е. Фортов.

«Полиморфные переходы скандия при ударном сжатии» // XXII Международная конференция Физика экстремальных состояний вещества (1-6 марта 2007 г., п.Эльбрус) Сборник трудов конференции.

Черноголовка. 2007. С.24- 5. Д.В. Шахрай, А.М. Молодец «Уравнения состояния и ударные адиабаты полиморфных модификаций рубидия» // Физика экстремальных состояний вещества -2006 Сборник под ред. Фортова В.Е., Ефремова В.П., Хищенко К.В. и др.. Черноголовка. 2006. С.24-26.

6. Shakhray D.V., Molodets A.M., Fortov V.E. Electrophysical and Thermodynamic Properties of Shock Compressed Incommensurate Phase Sc-II. // International Workshop on Crystallography at High Pressures (.

Dubna. Russia). 28 september-1 october 2006. Dubna. Russia. P. 7. Д.В. Шахрай, В.И. Постнов, А.М. Молодец, В.В. Авдонин, Каган К.Л., Электропроводность щелочных металлов в условиях ступенчатого сжатия при разных начальных температурах. // XIII Симпозиума по горению и взрыву (7-11 февраля 2005 г., Черноголовка). Тезисы докладов. Черноголовка. 2005. С. 184.

8. Д. В.Шахрай, В.И.Постнов, В.В. Авдонин, К.Л.Каган, В.Е.Фортов Электропроводность щелочных металлов в условиях ступенчатого квазиизэнтропического сжатия. В сб. Физика экстремальных состояний вещества, XX Международная конференция " Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество ", Терскол-2005, с.86- 9. Д.В.Шахрай, В.И.Постнов, В.В. Авдонин, К.Л.Каган, В.Е.Фортов Электропроводность щелочных металлов в условиях ступенчатого квазиизэнтропического сжатия.// Физика экстремальных состояний вещества, Сборник под ред. Фортова В.Е., Ефремова В.П., Хищенко К.В. и др.. Черноголовка. 10. Д.В.Шахрай, В.И.Постнов, К.Л.Каган, В.Е.Фортов Электропроводность кальция в условиях динамического эксперимента.

В сб. Физика экстремальных состояний вещества, Сборник под ред.

Фортова В.Е., Ефремова В.П., Хищенко К.В. и др.. Черноголовка. с.115- Список цитируемой литературы 1. Колобянина «Странные» кристаллические структуры элементов при высоком давлении, УФН, т. 172, №12, 2. Е.Г. Максимов, М.В. Магницкая, В.Е. Фортов Непростое поведение простых металлов при высоких давлениях УФН, т. 175, №. 8, 3. В.Ф. Дегтярева Простые металлы при высоком давлении. Модель взаимодействия сферы Ферми и зоны Бриллюэна. УФН, Т. 176, № 8, 4. Канель Г.И. Молодец А.М., Воробьев, О метании пластин взрывом, ФГВ, №6, 1974, стр 884- 5. Постнов В.И., // В сб. : нестационарные проблемы гидродинамики, Новосибирск, 1980, Вып.48. с. 6. A.M. Molodets, Scaling law for high pressure isotherms of solids High Pressure Researche, 25(4) 267-276 (2005).

7. A.M. Molodets, Similarity criteria for Debye temperatures of simple solids at compression, High Pressure Researche, 24 365 (2004).

8. R.G. McQueen, S. P. Marsh, J. W. Taylor, J. N. Fritz, W. J. Carter, The equation of state of solids from shock wave studies - In: High Velocity Impact Phenomena / Ed. R.Kinslow. - New-York: Academic Press, p.293 417;

appendix on pp. 515-568 (1970).



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.