Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами
Проведен эксперимент по моделированию внутреннего строения Земли с помощью нагружения сферически сходящимися ударными волнами смеси порошков кварца и меди в соотношении 1:1. Изучены фазовый состав и структура образца после ударного нагружения. Обнаружено, что кварц в глубоких слоях переходит в аморф...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2011
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69423 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами / Н.И. Талуц, А.В. Добромыслов, Е.А. Козлов // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 128-133. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859941499626586112 |
|---|---|
| author | Талуц, Н.И. Добромыслов, А.В. Козлов, Е.А. |
| author_facet | Талуц, Н.И. Добромыслов, А.В. Козлов, Е.А. |
| citation_txt | Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами / Н.И. Талуц, А.В. Добромыслов, Е.А. Козлов // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 128-133. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Проведен эксперимент по моделированию внутреннего строения Земли с помощью нагружения сферически сходящимися ударными волнами смеси порошков кварца и меди в соотношении 1:1. Изучены фазовый состав и структура образца после ударного нагружения. Обнаружено, что кварц в глубоких слоях переходит в аморфное состояние. Установлено, что в широком диапазоне давлений и температур химическое взаимодействие кварца и меди не происходит вплоть до перехода этих веществ в жидкое состояние. Химическое взаимодействие расплавов кварца и меди под давлением приводит к образованию тройного соединения меди, кремния и кислорода, близкого по составу к яшме.
Проведено експеримент з моделювання внутрішньої будови Землі за допомогою навантаження сферично збіжними ударними хвилями суміші порошків кварцу і міді у співідношенні 1:1. Вивчено фазовий склад і структуру зразка після ударного навантаження. Виявлено, що кварц у глибоких шарах переходить в аморфний стан. Встановлено, що в широкому діапазоні тиску і температур хімічна взаємодія кварцу і міді не відбувається аж до переходу цих речовин в рідкий стан. Хімічна взаємодія розплавів кварцу і міді під тиском призводить до утворення потрійної сполуки міді, кремнію і кисню, близької за складом до яшми.
Experiment on modelling the internal structure of the Earth has been made by the loading of a mixture of quartz and copper powders taken in a ratio 1:1. Phase state and structure of specimen after loading have been studied. It has been revealed that quartz passes into an amorphous state in deep layers. It has been established that there is no chemical interaction between quartz and copper in a wide range of pressures and temperatures up to transition of these substances to a liquid state. Chemical interaction of the melts under pressure results in the formation of ternary compound of copper, silicon and oxygen with the structure similar to jasper.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:11:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
© Н.И. Талуц, А.В. Добромыслов, Е.А. Козлов, 2011
PACS: 82.40.Fp, 91.35.Ed
Н.И. Талуц1, А.В. Добромыслов1, Е.А. Козлов2
СТРУКТУРА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СМЕСИ ПОРОШКОВ КВАРЦА
И МЕДИ, ПОДВЕРГНУТЫХ НАГРУЖЕНИЮ СФЕРИЧЕСКИ
СХОДЯЩИМИСЯ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ
1Институт физики металлов УрО РАН
ул. С. Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620990, Россия
2Российский федеральный ядерный центр − ВНИИ технической физики
им. акад. Е.И. Забабахина
а/я 245, г. Снежинск, Челябинская обл., 456770, Россия
Проведен эксперимент по моделированию внутреннего строения Земли с помощью
нагружения сферически сходящимися ударными волнами смеси порошков кварца и
меди в соотношении 1:1. Изучены фазовый состав и структура образца после
ударного нагружения. Обнаружено, что кварц в глубоких слоях переходит в
аморфное состояние. Установлено, что в широком диапазоне давлений и темпе-
ратур химическое взаимодействие кварца и меди не происходит вплоть до перехо-
да этих веществ в жидкое состояние. Химическое взаимодействие расплавов
кварца и меди под давлением приводит к образованию тройного соединения меди,
кремния и кислорода, близкого по составу к яшме.
Ключевые слова: ударные волны, смесь кварца с медью, структура, фазовый состав
Изучение особенностей протекания химических реакций между различ-
ными металлами и окислами в условиях высоких давлений и температур
принадлежит к числу наиболее важных задач материаловедения, минерало-
гии и геохимии. В большинстве случаев при нормальном давлении и ком-
натной температуре скорость таких реакций крайне низка, однако при высо-
ких давлениях и температурах она существенно возрастает [1−2]. В случае
нагружения материала сферически сходящимися ударными волнами при
увеличении глубины залегания слоя в образце происходит непрерывное по-
вышение давления и температуры, поэтому при таких условиях нагружения
возможно как химическое взаимодействие исходных компонентов друг с
другом, так и образование фаз высокого давления [3].
В настоящее время работ, посвященных изучению физико-химических
изменений в смесях кварца с различными металлами, очень мало [4−6]. Од-
нако исследование фазового и деформационного поведения смесей окислов
с металлами в условиях воздействия высоких давлений может быть исклю-
чительно полезным для определения состава земной мантии. Поэтому в дан-
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
129
ной работе была поставлена задача изучить особенности протекания физи-
ко-химических реакций в смеси кварца с медью в условиях нагружения сфе-
рически сходящимися ударными волнами.
Техника эксперимента
Для эксперимента использовали смесь порошков меди и кварца в соот-
ношении 1:1. Порошковая смесь предварительно была спрессована до необ-
ходимой плотности статическим давлением. Из полученного компакта был
приготовлен шар диаметром 48.85 mm, который помещали в сферический
гермочехол из меди. Нагружение образца осуществляли сходящейся детона-
ционной волной сферического слоя взрывчатого вещества на основе октоге-
на (HMX-based composition) толщиной 10 mm. Сохраненный после ударного
воздействия образец был разрезан по меридиональной плоскости алмазным
кругом. Послойный анализ структуры и фазового состава образца осуществ-
ляли с использованием рентгеноструктурного анализа, оптической и скани-
рующей электронной микроскопии. Рентгеноструктурный анализ проводили
с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-3 и микропучковой каме-
ры с диаметром рентгеновского пучка 0.1 mm.
Результаты исследования и их обсуждение
Общий вид меридионального сечения образца, сохраненного после ударного
нагружения, приведен на рис. 1,а. В центре первоначально сплошного компакта
образовалась полость неправильной формы. На поверхности полости наблю-
даются характерные признаки хрупкого разрушения. Внутри полости обнаружен
большой участок закристаллизовавшегося металла, покрытого пленкой темно-
красного цвета. Многочисленные мелкие вкрапления каплеобразной формы
такого же цвета присутствуют и на поверхности полости (рис. 1,б).
10 мм 5 мм
а б
Рис. 1. Вид меридионального сечения шара из смеси кварца и меди (а) и централь-
ной его части (б) после нагружения сферически сходящимися ударными волнами
10 mm 5 mm
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
130
После ударного нагружения компакт меди и кварца сохраняет монолит-
ное строение. На меридиональном сечении образца вокруг полости были
обнаружены четыре концентрические зоны, отличающиеся друг от друга
контрастом. В приповерхностном слое толщиной ∼ 6 mm формируется вы-
сокоплотная керамика, состоящая из исходных частиц кварца и меди (рис.
2,а). Светлые области представляют собой скопления кристалликов меди, а
более крупные темные – являются исходными порошинками кварца. Плав-
ление меди начиналось на удалении ~ 14 mm от поверхности нагружения, а
плавление кварца – на расстоянии ~ 15.5 mm. Медь и кварц полностью пере-
ходили в жидкое состояние на расстояниях, бóльших 17 mm от поверхности
нагружения (рис. 2.б). При этом можно видеть, что после охлаждения медь
сохранила сферическую форму первоначально жидких капель. На поверхно-
сти центральной полости диаметром ~ 12.5 mm обнаружено присутствие
темно-красных образований.
100 мкм 100 мкм
а б
Рис. 2. Структура образца на различных расстояниях от поверхности нагружения,
mm: а − 1.5, б − 19
Послойное изучение фазового состава различных слоев было проведено с
помощью микропучковой камеры с диаметром рентгеновского пучка 0.1 mm.
На рентгенограммах от исходного образца линии меди тонкие и непрерыв-
ные, а линии α-кварца состоят из отдельных рефлексов (рис. 3,а). Это свиде-
тельствует о том, что размер зерна α-кварца существенно больше, чем у ме-
ди. После ударного нагружения вид рентгенограммы, полученной от слоя,
расположенного на расстоянии 1.5 mm от поверхности нагружения, не-
100 μm 100 μm
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
131
сколько изменяется. Линии меди практически остаются без изменения, а
рефлексы, принадлежащие α-кварцу, размываются вдоль дифракционных
линий (рис. 3,б).
а б в
г д е
Рис. 3. Рентгенограммы, полученные от слоев, расположенных на разных расстоя-
ниях от поверхности нагружения, mm: а − исходное состояние; б − 1.5, в − 5, г, д −
9.5, е − ~ 17, д, е − съемка в области меньших углов θ
С увеличением глубины залегания слоя в шаре происходит дальнейшее
размытие линий α-кварца и существенное ослабление их интенсивности
(рис. 3,в−д). На рентгенограммах, полученных от глубоких слоев, линии α-кварца
практически исчезают (рис. 3,е). Линии меди также трансформируются при
увеличении глубины залегания слоя: они сильно уширяются, свидетельствуя
о больших искажениях кристаллической решетки меди (рис. 3,д−е). В некото-
рых случаях на дифракционных линиях меди появляются интенсивные реф-
лексы (рис. 3,е). Это указывает на то, что медь в некоторых участках была
расплавлена, и после снятия ударного воздействия происходило образование
крупных кристаллитов. Характерной особенностью дифракционной карти-
ны, полученной от глубоких слоев образца после ударного воздействия, яв-
ляется присутствие диффузного гало (рис. 3,е). Появление такого гало одно-
значно свидетельствует о переходе кварца в аморфное состояние.
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
132
Элементный микроанализ с помощью электронного сканирующего мик-
роскопа показал, что наблюдающиеся в центральной полости образования
темно-красного цвета являются выделениями меди, покрытыми пленкой
CuxSiyO1–x–y, являющейся одним из видов яшмы, присутствующей в земной
коре.
Отсутствие значительного изменения фазового состава компакта из смеси
кварца с медью при нагружении сферически сходящимися ударными волна-
ми существенно отличает его фазовое поведение от поведения компакта из
смеси кварца с алюминием [5]. Значительно более слабое химическое взаи-
модействие меди с кварцем является следствием меньшей химической ак-
тивности меди, чем алюминия. Следствием такого слабого химического
взаимодействия между медью и соединениями, содержащими кремний и ки-
слород, в широком диапазоне температур и давлений является то, что наря-
ду с золотом, ртутью и платиной медь в верхних слоях земной коры присут-
ствует в самородном состоянии.
Заключение
Таким образом, изучение фазового состава компакта из смеси кварца с
медью в соотношении 1:1, подвергнутого нагружению сферически сходя-
щимися ударными волнами, показывает, что в широком диапазоне темпера-
тур и давлений химическое взаимодействие между медью и кварцем не про-
исходит вплоть до перехода этих веществ в жидкое состояние. С увеличени-
ем глубины залегания слоя в шаре происходит сильная деформация как
кварца, так и меди. Сильное измельчение кристаллов кварца приводит к
полному исчезновению дифракционных линий кварца на рентгенограммах и
появлению вместо них диффузного гало в области малых углов, свидетель-
ствующего о переходе кварца в аморфное состояние.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фунда-
ментальных исследований, грант № 08-05-00165.
1. С.С. Бацанов, Успехи химии 55, 579 (1986).
2. А.Н. Дремин, О.Н. Бреусов, Успехи химии 37, 898 (1968).
3. E.A. Kozlov, High Pressure Research 10, 541 (1992).
4. V.S. Joshi, N.N. Thadhani, R.A. Graham, G.T. Holman, Jr., Shock compression of
condensed matter – 1995, S.C. Schmidt, W.C. Tao (eds.), AIP Press, Woodbury –
N.Y. (1996), part 2, p. 689.
5. Е.А. Козлов, Ю.Н. Жугин, Г.В. Коваленко, А.В. Добромыслов, Н.И. Талуц, В.М. Гун-
дырев, ФММ 104, 91 (2007).
6. N.I. Taluts, A.V. Dobromyslov, Int. J. Mod. Phys. B24, 730 (2010).
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 1
133
Н.І. Талуц, А.В. Добромислов, Є.А. Козлов
СТРУКТУРА І ФАЗОВИЙ СКЛАД СУМІШІ ПОРОШКІВ КВАРЦУ І МІДІ,
ПІДДАНИХ НАВАНТАЖЕННЮ СФЕРИЧНО ЗБІЖНИМИ УДАРНИМИ
ХВИЛЯМИ
Проведено експеримент з моделювання внутрішньої будови Землі за допомогою
навантаження сферично збіжними ударними хвилями суміші порошків кварцу і
міді у співідношенні 1:1. Вивчено фазовий склад і структуру зразка після ударного
навантаження. Виявлено, що кварц у глибоких шарах переходить в аморфний стан.
Встановлено, що в широкому діапазоні тиску і температур хімічна взаємодія квар-
цу і міді не відбувається аж до переходу цих речовин в рідкий стан. Хімічна
взаємодія розплавів кварцу і міді під тиском призводить до утворення потрійної
сполуки міді, кремнію і кисню, близької за складом до яшми.
Ключові слова: ударні хвилі, суміш кварцу з міддю, структура, фазовий склад
N.I. Taluts, A.V. Dobromyslov, E.A. Kozlov
STRUCTURE AND PHASE COMPOSITION OF THE MIXTURE
OF QUARTZ AND COPPER POWDERS LOADED BY SPHERICAL
CONVERGING SHOCK WAVES
Experiment on modelling the internal structure of the Earth has been made by the loading
of a mixture of quartz and copper powders taken in a ratio 1:1. Phase state and structure
of specimen after loading have been studied. It has been revealed that quartz passes into
an amorphous state in deep layers. It has been established that there is no chemical inter-
action between quartz and copper in a wide range of pressures and temperatures up to
transition of these substances to a liquid state. Chemical interaction of the melts under
pressure results in the formation of ternary compound of copper, silicon and oxygen with
the structure similar to jasper.
Keywords: shock waves, quartz and copper mixture, structure, phase composition
Fig. 1. The view of meridional section of the sphere consisting of the mixture of quartz
and copper (a) and its central part (б) after loading by spherical converging shock waves
Fig. 2. Structure of the sample at various distances from the loading surface, mm: а − 1.5,
б − 19
Fig. 3. X-ray diffraction patterns obtained from the layers located at various distances
from the loading surface, mm: a – initial state; б – 1.5, в – 5, г, д – 9.5, е – ~ 17 mm, д, е – X-
ray diffraction patterns obtained in region of smaller θ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69423 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:11:08Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Талуц, Н.И. Добромыслов, А.В. Козлов, Е.А. 2014-10-12T19:06:36Z 2014-10-12T19:06:36Z 2011 Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами / Н.И. Талуц, А.В. Добромыслов, Е.А. Козлов // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 128-133. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 82.40.Fp, 91.35.Ed https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69423 Проведен эксперимент по моделированию внутреннего строения Земли с помощью нагружения сферически сходящимися ударными волнами смеси порошков кварца и меди в соотношении 1:1. Изучены фазовый состав и структура образца после ударного нагружения. Обнаружено, что кварц в глубоких слоях переходит в аморфное состояние. Установлено, что в широком диапазоне давлений и температур химическое взаимодействие кварца и меди не происходит вплоть до перехода этих веществ в жидкое состояние. Химическое взаимодействие расплавов кварца и меди под давлением приводит к образованию тройного соединения меди, кремния и кислорода, близкого по составу к яшме. Проведено експеримент з моделювання внутрішньої будови Землі за допомогою навантаження сферично збіжними ударними хвилями суміші порошків кварцу і міді у співідношенні 1:1. Вивчено фазовий склад і структуру зразка після ударного навантаження. Виявлено, що кварц у глибоких шарах переходить в аморфний стан. Встановлено, що в широкому діапазоні тиску і температур хімічна взаємодія кварцу і міді не відбувається аж до переходу цих речовин в рідкий стан. Хімічна взаємодія розплавів кварцу і міді під тиском призводить до утворення потрійної сполуки міді, кремнію і кисню, близької за складом до яшми. Experiment on modelling the internal structure of the Earth has been made by the loading of a mixture of quartz and copper powders taken in a ratio 1:1. Phase state and structure of specimen after loading have been studied. It has been revealed that quartz passes into an amorphous state in deep layers. It has been established that there is no chemical interaction between quartz and copper in a wide range of pressures and temperatures up to transition of these substances to a liquid state. Chemical interaction of the melts under pressure results in the formation of ternary compound of copper, silicon and oxygen with the structure similar to jasper. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 08-05-00165. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами Структура і фазовий склад суміші порошків кварцу і міді, підданих навантаженню сферично збіжними ударними хвилями Structure and phase composition of the mixture of quartz and copper powders loaded by spherical converging shock waves Article published earlier |
| spellingShingle | Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами Талуц, Н.И. Добромыслов, А.В. Козлов, Е.А. |
| title | Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами |
| title_alt | Структура і фазовий склад суміші порошків кварцу і міді, підданих навантаженню сферично збіжними ударними хвилями Structure and phase composition of the mixture of quartz and copper powders loaded by spherical converging shock waves |
| title_full | Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами |
| title_fullStr | Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами |
| title_full_unstemmed | Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами |
| title_short | Структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами |
| title_sort | структура и фазовый состав смеси порошков кварца и меди, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69423 |
| work_keys_str_mv | AT talucni strukturaifazovyisostavsmesiporoškovkvarcaimedipodvergnutyhnagruženiûsferičeskishodâŝimisâudarnymivolnami AT dobromyslovav strukturaifazovyisostavsmesiporoškovkvarcaimedipodvergnutyhnagruženiûsferičeskishodâŝimisâudarnymivolnami AT kozlovea strukturaifazovyisostavsmesiporoškovkvarcaimedipodvergnutyhnagruženiûsferičeskishodâŝimisâudarnymivolnami AT talucni strukturaífazoviiskladsumíšíporoškívkvarcuímídípíddanihnavantažennûsferičnozbížnimiudarnimihvilâmi AT dobromyslovav strukturaífazoviiskladsumíšíporoškívkvarcuímídípíddanihnavantažennûsferičnozbížnimiudarnimihvilâmi AT kozlovea strukturaífazoviiskladsumíšíporoškívkvarcuímídípíddanihnavantažennûsferičnozbížnimiudarnimihvilâmi AT talucni structureandphasecompositionofthemixtureofquartzandcopperpowdersloadedbysphericalconvergingshockwaves AT dobromyslovav structureandphasecompositionofthemixtureofquartzandcopperpowdersloadedbysphericalconvergingshockwaves AT kozlovea structureandphasecompositionofthemixtureofquartzandcopperpowdersloadedbysphericalconvergingshockwaves |