Физические эффекты импульсного сжатия конденсированных веществ в системах сохранения

• Автор: Гаврилкин, Сергей Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Менделеево
• Количество страниц: 86 с. : ил.

Глава 1. Фазовые превращения в нитриде бора

1.1. Термическое превращение v-BN -» £-ВИ В

1.2. Динамико-статическое превращение g-BN -»v-BN

1.3. Фазовые превращения ВИ при электроимпульсном нагружении

Глава 2. Аномальные фазовые переходы при ударном сжатии

Глава 3. Детонационный синтез ультра -дисперсного алмаза в

магнитном поле.

3.1. Кинетический механизм формирования ультра -дисперсного алмаза

3.2. Образование фуллерита при детонационном синтезе

Глава 4. Определение времени химических превращений при

ударном сжатии

4.1. Оценка времени реакции по топографии продуктов в ампуле
4.2. Оценка влияния химической реакции на сечение осевого потока при нерегулярном взаимодействии ударных волн
Заключение
Литература

Со времени первой работы Рябинина [1] по изучению физикохимических процессов в ампулах сохранения появилась огромная литература отечественных и зарубежных авторов (см. обзоры соответственно [2-8] и [9-11]). За прошедшие полвека развития этого направления, получившего название «химия ударного сжатия», разработаны системы, в которых можно варьировать термодинамические параметры в очень широких пределах: температуру от -100° до +2000°С и давление от 10 до >100 ГПа. В этих условиях были изучены и надёжно установлены:
1) изменения реальной структуры твёрдых тел;
2) фазовые превращения при давлениях, близких к статическим
значениям;
3) твёрдофазные и гетерогенные химические реакции.
В указанных выше обзорах подробно рассмотрены основные результаты и особенности этих превращений, мы не будем здесь их перечислять, а отметим только нерешённые задачи и перспективные темы физического эксперимента.
Процесс ударного сжатия обладает характерными временами порядка 1СГ6 секунды, развитие давления и температуры в ударной волне и за её фронтом происходит во взаимосвязанном режиме в соответствии с уравнением состояния вещества, и поэтому весьма трудно раздельно влиять на термодинамические параметры. В результате многие фазы высокого давления (ФВД), образовавшиеся при ударном сжатии в ампулах сохранения, после разгрузки в остаточном режиме не сохраняются из-за действия высоких остаточных температур. Для предотвращения отжига ФВД обычно применяют охлаждение взрывной сборки перед опытом или введение в образец материалов-холодильников (запрессовка порошка в медь, добавление воды и др.), но на этом пути достигнуты только ограниченные

результаты. Так, до последнего времени все полученные методом взрыва сверхтвёрдые материалы содержали отожжённую фазу высокого давления или были результатом частичного фазового перехода и содержали не превратившуюся исходную фазу, которые надо было удалять, как правило, химическим путём. Поэтому конечный продукт всегда представлял собой порошок, для дальнейшего применения которого, например в качестве инструмента, требовалось использование статических прессов, что сводило на нет все преимущества технологии ударно-волнового нагружения.
В нашей лаборатории разработан метод динамико-статического сжатия (ДСС), идея которого состоит в том, что в прочной ампуле исследуемое вещество окружено рабочим телом с обратимым фазовым переходом (например, КВг). В процессе нагрузки КВг при 2.0 ГПа испытывает фазовый переход (В1—>В2) с 20% уменьшением объёма, а на разгрузке КВг должен вернуться в исходную фазу с таким же увеличением объёма, но из-за жёсткой ампулы (изготовленной из деформационно-упрочняющейся стали) это невозможно и внутри неё создаётся остаточное давление в 2.0 ГПа. Достигнутой в эксперименте величины остаточного давления оказалось достаточно для предотвращения отжига v-BN и получения в качестве продукта ударного сжатия монолитного образца почти целиком (>97%) состоящего из ФВД. В настоящей работе оптимизированы технологические параметры и исследованы физические явления в ампуле ДСС, изучены особенности фазового превращения и свойства v-BN, полученного этим методом.
Вторая задача, представляющая физический интерес и не нашедшая до сих пор удовлетворительного решения, состоит в получении кубической модификации нитрида бора при импульсном сжатии. Все опубликованные работы по этому поводу не сопровождаются доказательствами в виде изученных физико-механических свойств образцов, или сообщается о методах получении с-ВЫ с небольшим выходом достаточном лишь для рентгеноструктурных исследований. Причина вполне понятна: кубическая
(несколько компонент с разными массами) с другой стороны будет являться поступательная неравновесность происходящих процессов. Это приведет к разделению материала во фронте по скоростям и следовательно по концентрациям «легких» и «тяжелых» частиц. Основными тяжелыми частицами будут являться фуллерено- подобные кластеры, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. Эти кластеры образуются на начальном участке фронта ударной волны, где давление еще недостаточно для образования структур с эр3 гибридизацией, т.е. алмазных частиц. На эти кластеры в процессе их движения, в результате поступательной неоднородности, через детонационный фронт будут «налипать» отдельные атомы углерода, но уже в зоне, с параметрами на диаграмме состояния углерода соответствующими алмазу. Таким образом, может происходить рост нано- алмазов с предельными размерами 3 - 4 нм в случае взрывчатых веществ состава СНЖ) с отрицательным кислородным балансом. Единичный атом углерода имеет сродство к электрону ~ 122 кДж / моль. Находясь в проводящем слое фронта детонации атомы углерода, легко могут ионизироваться за счет потери или присоединения электронов. Для нескольких связанных атомов углерода вероятность процесса ионизации будет выше. Таким образом, магнитное поле может внести дополнительную поступательную неравновесность, воздействуя только на ионизованные кластеры углерода вдоль плоскости детонационного фронта. При этом даже в достаточно стесненных условиях, т.к. плотность продуктов детонации во фронте для бризантных ВВ достигает ~2,0 г/см , может происходить дополнительный рост нано- частиц. Следует добавить, что вероятность роста нано- частиц алмаза размером в 8 -12 тысяч атомов углерода в окружении молекулярной «каши» из продуктов детонации (при равновесных условиях с параметрами Ч-Ж для данного ВВ) за времена ~ 10'7 с очень мала.
Полученный эффект влияния поля на размер нано- алмазов следует считать предварительным результатом, т.к. еще не установлена зависимость