Физические эффекты импульсного сжатия конденсированных веществ в системах сохранения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Гаврилкин, Сергей Михайлович

• Гаврилкин, Сергей Михайлович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гаврилкин, Сергей Михайлович

Введение

Глава 1. Фазовые превращения в нитриде бора

1.1. Термическое превращение w-BN -» g-BN

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

1.3. Фазовые превращения BN при электроимпульсном нагружении

Глава 2. Аномальные фазовые переходы при ударном сжатии

Глава 3. Детонационный синтез ультра -дисперсного алмаза в 41 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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические эффекты импульсного сжатия конденсированных веществ в системах сохранения»

Со времени первой работы Рябинина [1] по изучению физико-химических 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) твердофазные 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 Ю-6 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 w-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 w-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 c-BN с небольшим выходом достаточном лишь для рентгеноструктурных исследований. Причина вполне понятна: кубическая фаза BN требует в соответствии с диаграммой состояния для своего формирования высоких температур, что неизбежно ведёт к отжигу в ампулах сохранения образовавшейся ФВД. Кроме того, превращение гексагонального BN в кубическую форму невозможно по мартенситному механизму, т.к. никакие смещения атомов не могут превратить решётку графита в структуру кубического алмаза, и для синтеза c-BN требуется полное разрушение исходной структуры и формирование зародышей новой фазы. Отсюда ряд авторов высказывают сомнение в саму возможность получения заметных количеств c-BN. Этому вопросу так же посвящено специальное исследование.

Наконец, третья задача, которая решается в настоящей диссертации, -это изучение кинетики и механизма твердофазных превращений, т.е. решение принципиальных вопросов химии ударного сжатия - определение времени, когда происходит реакция, во время действия ударной волны или в пост- режиме и установление необходимых условий для прохождения химического взаимодействия в ударной волне.

Научная новизна:

1. Впервые экспериментально показан обратимый фазовый переход w-BN g-BN при нагревании вюртцитной модификации нитрида бора, полученной взрывным методом.

2. Впервые получен c-BN при импульсном нагревании g-BN находящемся под статическим давлением, меньшим давления прямого фазового перехода.

3. Впервые обнаружено, что магнитное поле оказывает воздействие на процессы в детонационном фронте. При детонации ВВ в магнитном поле увеличивается размер частиц алмаза и в составе продуктов детонации появляется аморфный алмазоподобный углерод.

Эти исследования представляют значительную практическую ценность:

• Разработаны технологические приёмы создания необходимых параметров ударно-волновой и термической обработки для получения новых материалов с заданными физико-механическими свойствами.

• Разработана методика исследования параметров детонационного синтеза.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) Установлены особенности и механизм термического фазового превращения в нитриде бора. Нагревание w-BN приводит к ограниченному его превращению в g-BN в интервале температур 650 -1050°С, что объяснено возникновением внутренних напряжений из-за различия объемов фаз. Обнаружено, что при нормальном давлении фазовый переход является обратимым.

2) Реализован синтеза кубического нитрида бора при импульсном нагреве графитоподобной фазы при небольшом статическом давлении. Показана возможность детонационного способа получения c-BN при использовании безводородного ВВ.

3) Установлено влияние магнитного поля на формирование УДА во фронте детонации ВВ. Появление и рост кластеров детонационных алмазов возможно только при возникновении концентрационной неоднородности продуктов детонации в проводящей зоне детонационного фронта. Применение магнитного поля усиливает расслоение и повышает размер частиц алмаза.

4) Определено время протекания твердофазных химических реакций при ударно-волновом нагружении цилиндрических ампул сохранения.

Исследования, выполненные в диссертации, проводились как по личной инициативе автора, так и по грантам РФФИ (проект 98-03-32142), Миннауки

Московской обл. (проект 04-03-97242) и в порядке совместных исследований с академическими институтами по программам Президиума РАН. 6

Апробация работы и публикации

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях Основные научные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 85 страницах машинописного текста, включает 24 рисунка и 16 таблиц. Список литературы содержит 91 наименование.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Гаврилкин, Сергей Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов, изложенных в диссертационной работе, можно сформулировать следующие выводы.

1. Экспериментально изучен термический фазовый переход g-BN w-BN. Показано, что в интервале температур 500°-1000°С фазовый переход происходит частично даже при 500-часовом прогреве, что объяснено внутренним напряжением при формировании фазы значительно большего объёма. Впервые обнаружена обратимость этого фазового перехода при нагревании при нормальном давлении.

2. На примере фазового перехода в гексагональном нитриде бора оптимизирован метод динамико-статического сжатия (ДСС), позволивший получить фазу высокого давления w-BN в виде монолитного образца. Установлена зависимость физико-механических свойств полученных компактов от параметров ударно-волнового нагружения.

3. Изучено образование c-BN в результате импульсного нагрева при малых статических давлениях и при детонации смесевых зарядов ТГ+ g-BN. Показано, что при малых концентрациях g-BN он полностью переходит в окись бора за счёт реакции взаимодействия нитрида бора с водой из продуктов детонации, и только после преодоления критической концентрации, соответствующей полному израсходованию воды, начинается фазовый переход g-BN-> c-BN с выходом до 12%.

4. Исследовано влияния магнитного поля на детонационный синтез алмаза. Показано, что магнитное поле оказывает воздействие на процессы проходящие в детонационном фронте. Предложенный метод позволяет получить недоступную ранее информацию о процессах протекающих во фронте детонации.

5. На примере ударного сжатия порошков Si с металлами в ампулах сохранения исследовано протекание твердофазных химических превращений за фронтом ударной волны. Показано, что реакция полностью протекает в маховском шнуре, частично в области, контактирующей с маховской зоной и не происходит вовсе на периферии цилиндрической ампулы. Рентгенографическое и электронно-микроскопическое исследование позволило проследить за всеми стадиями твердофазной реакции: дробление частиц, их взаимная диффузия и химическое взаимодействие. Давления, при которых начинаются реакции, согласуются с выводами физической модели твердофазной реакции, основанной на механизме вынужденной диффузии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гаврилкин, Сергей Михайлович, 2006 год

1. Рябинин Ю.Н. Сублимация кристаллической решетки под действием сильной ударной волны. // ДАН СССР, 1956. Т. 109. №2. С.289-291; О некоторых опытах по динамическому сжатию вещества. // ЖТФ, 1956. Т.26. №12. С.2661-2666.

2. Бацанов С. С. Физико-химия импульсных давлений// Инж.физ.журн., 1967.Т.12.№ 1.С. 104-119; Физико-химия ударного сжатия // Изв.Сиб.отд. АН СССР, 1967.14.С. 22-35.

3. А.Н.Дрёмин, О.Н.Бреусов, Процессы протекающие в твердых телах под действием сильных ударных волн // Успехи химии, 1968. Т.37. Вып.5. С.898.

4. С.С.Бацанов, Физико-химические .эффекты действия взрыва на вещество // Неорган.материалы, 1970. Т. 6. С. 697-707. Дрёмин А.Н., Бреусов О.К Химия ударного сжатия // Природа, 1971. №12. С.10-17.

5. Г.А.Ададуров, Экспериментальное исследование химическихпроцессов в условиях динамического сжатия // Успехи химии, 1986. Т.55. Вып.4. С.555-578.

6. Y.Horie and A.B.Sawaoka, Shock Compression Chemistry of Materials, Terra Sci.Publ., Tokyo, 1993.

7. Davies G., Evans T. Graphitization of Diamond at ZeroPressure and at a High Pressure // Proc. R. Soc. London, A. 1972. V.328. №1574. P.413-427.

8. Res. 1987. V. 927 №12. P. 9319.

9. Will G., Nover G., von der Gonna J. New Experimental Results on the Phase Diagram of Boron Nitride // J. Solid State Chem. 2000. V. 154. № l.P. 280-285.

10. Лобойко Б.Г., Филин В.П., Костицын О.В. и др. Распространение детонации в цилиндрических образцах из нечувствительного ВВ. // Забабахинские научные чтения. Международная конференция. 2003.

11. Бацанов С.С., Вазюлин В. А., Дидюков А. И. и др. Модифицирование материалов в условиях динамико-статического сжатия // V Всесоюзн. совещание по детонации: Сб. докл. Красноярск, 1991. Т. 1. С.48-51.24.