Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения

Рассмотрены особенности ударного сжатия порошковых смесей BN и KCl в цилиндрической ампуле сохранения с центральным стержнем. Добавка KCl использована в соответствии с предложенным ранее методом высокотемпературного ударного сжатия (ВТУС) для дополнительного нагрева исследуемого вещества при сжатии...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2005
Hauptverfasser:	Бритун, В.Ф., Курдюмов, А.В., Боримчук, Н.И., Ярош, В.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2005
Schriftenreihe:	Физика и техника высоких давлений
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70154
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения / В.Ф. Бритун, А.В. Курдюмов, Н.И. Боримчук, В.В. Ярош // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 3. — С. 71-83. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70154
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-701542025-02-23T18:58:08Z Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения Оцінка Р,Т-умов, виникаючих при високотемпературному ударному стисненні нітриду бору в циліндричній ампулі збереження The estimation of P,T conditions realized in cylindrical ampoule under high-temperature shock compression of boron nitride Бритун, В.Ф. Курдюмов, А.В. Боримчук, Н.И. Ярош, В.В. Рассмотрены особенности ударного сжатия порошковых смесей BN и KCl в цилиндрической ампуле сохранения с центральным стержнем. Добавка KCl использована в соответствии с предложенным ранее методом высокотемпературного ударного сжатия (ВТУС) для дополнительного нагрева исследуемого вещества при сжатии и быстрого его охлаждения при разгрузке. Проведены оценки давлений и температур при многократном отражении ударной волны (УВ) от границ обрабатываемый материал–стенки ампулы. Показано, что основную роль в разогреве смеси играют первые три волны, создающие давление P ≈ 15 GPa, а дальнейший рост давления до 30 GPa к существенному повышению температуры не приводит. Анализ данных показал, что на величины максимальной температуры разогрева смеси и температуры после разгрузки значительное влияние оказывает процесс плавления KCl. Превращение турбостратного BN в кубическую модификацию, регистрируемое после разгрузки, наблюдается только в том случае, когда доля KCl в смеси не ниже 80 mass%, а максимальная температура ограничена температурой плавления добавки. The P,T characteristics of shock-wave compression of BN and KCl mixture in cylindrical ampoule are discussed. The KCl was used as an addition for increase of mixture temperature during compression and rapid decrease during unloading (in accord with proposed previously method of high-temperature shock compression). The values of pressure and temperature are estimated for multiwave condition of compression. It is shown that only first three waves contribute mainly to heating of the mixture under compression and increased the pressure up to 15 GPa. The next waves increase the pressure up to 30 GPa while the mixture temperature remains nearly unchanged. The temperature regime under compression depends on amount of KCl in mixture. The peak temperature is determined by the melting of KCl when KCl portion in mixture is not less than 80 mass%, these conditions are particularly favourable for cubic BN phase formation and conservation. 2005 Article Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения / В.Ф. Бритун, А.В. Курдюмов, Н.И. Боримчук, В.В. Ярош // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 3. — С. 71-83. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.50.+р https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70154 ru Физика и техника высоких давлений application/pdf Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Рассмотрены особенности ударного сжатия порошковых смесей BN и KCl в цилиндрической ампуле сохранения с центральным стержнем. Добавка KCl использована в соответствии с предложенным ранее методом высокотемпературного ударного сжатия (ВТУС) для дополнительного нагрева исследуемого вещества при сжатии и быстрого его охлаждения при разгрузке. Проведены оценки давлений и температур при многократном отражении ударной волны (УВ) от границ обрабатываемый материал–стенки ампулы. Показано, что основную роль в разогреве смеси играют первые три волны, создающие давление P ≈ 15 GPa, а дальнейший рост давления до 30 GPa к существенному повышению температуры не приводит. Анализ данных показал, что на величины максимальной температуры разогрева смеси и температуры после разгрузки значительное влияние оказывает процесс плавления KCl. Превращение турбостратного BN в кубическую модификацию, регистрируемое после разгрузки, наблюдается только в том случае, когда доля KCl в смеси не ниже 80 mass%, а максимальная температура ограничена температурой плавления добавки.
format	Article
author	Бритун, В.Ф. Курдюмов, А.В. Боримчук, Н.И. Ярош, В.В.
spellingShingle	Бритун, В.Ф. Курдюмов, А.В. Боримчук, Н.И. Ярош, В.В. Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения Физика и техника высоких давлений
author_facet	Бритун, В.Ф. Курдюмов, А.В. Боримчук, Н.И. Ярош, В.В.
author_sort	Бритун, В.Ф.
title	Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения
title_short	Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения
title_full	Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения
title_fullStr	Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения
title_full_unstemmed	Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения
title_sort	оценка p,t-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2005
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70154
citation_txt	Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения / В.Ф. Бритун, А.В. Курдюмов, Н.И. Боримчук, В.В. Ярош // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 3. — С. 71-83. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT britunvf ocenkaptuslovijrealizuemyhprivysokotemperaturnomudarnomsžatiinitridaboravcilindričeskojampulesohraneniâ AT kurdûmovav ocenkaptuslovijrealizuemyhprivysokotemperaturnomudarnomsžatiinitridaboravcilindričeskojampulesohraneniâ AT borimčukni ocenkaptuslovijrealizuemyhprivysokotemperaturnomudarnomsžatiinitridaboravcilindričeskojampulesohraneniâ AT ârošvv ocenkaptuslovijrealizuemyhprivysokotemperaturnomudarnomsžatiinitridaboravcilindričeskojampulesohraneniâ AT britunvf ocínkartumovvinikaûčihprivisokotemperaturnomuudarnomustisnennínítriduboruvcilíndričníjampulízberežennâ AT kurdûmovav ocínkartumovvinikaûčihprivisokotemperaturnomuudarnomustisnennínítriduboruvcilíndričníjampulízberežennâ AT borimčukni ocínkartumovvinikaûčihprivisokotemperaturnomuudarnomustisnennínítriduboruvcilíndričníjampulízberežennâ AT ârošvv ocínkartumovvinikaûčihprivisokotemperaturnomuudarnomustisnennínítriduboruvcilíndričníjampulízberežennâ AT britunvf theestimationofptconditionsrealizedincylindricalampouleunderhightemperatureshockcompressionofboronnitride AT kurdûmovav theestimationofptconditionsrealizedincylindricalampouleunderhightemperatureshockcompressionofboronnitride AT borimčukni theestimationofptconditionsrealizedincylindricalampouleunderhightemperatureshockcompressionofboronnitride AT ârošvv theestimationofptconditionsrealizedincylindricalampouleunderhightemperatureshockcompressionofboronnitride
first_indexed	2025-11-24T14:05:03Z
last_indexed	2025-11-24T14:05:03Z
_version_	1849680832260734976
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 71 PACS: 62.50.+р В.Ф. Бритун, А.В. Курдюмов, Н.И. Боримчук, В.В. Ярош ОЦЕНКА P,T-УСЛОВИЙ, РЕАЛИЗУЕМЫХ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ УДАРНОМ СЖАТИИ НИТРИДА БОРА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ АМПУЛЕ СОХРАНЕНИЯ Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины ул. Кржижановского, 3, г. Киев, 03142, Украина Статья поступила в редакцию 22 декабря 2004 года Рассмотрены особенности ударного сжатия порошковых смесей BN и KCl в ци- линдрической ампуле сохранения с центральным стержнем. Добавка KCl использо- вана в соответствии с предложенным ранее методом высокотемпературного ударного сжатия (ВТУС) для дополнительного нагрева исследуемого вещества при сжатии и быстрого его охлаждения при разгрузке. Проведены оценки давлений и температур при многократном отражении ударной волны (УВ) от границ обра- батываемый материал–стенки ампулы. Показано, что основную роль в разогреве смеси играют первые три волны, создающие давление P ≈ 15 GPa, а дальнейший рост давления до 30 GPa к существенному повышению температуры не приводит. Анализ данных показал, что на величины максимальной температуры разогрева смеси и температуры после разгрузки значительное влияние оказывает процесс плавления KCl. Превращение турбостратного BN в кубическую модификацию, ре- гистрируемое после разгрузки, наблюдается только в том случае, когда доля KCl в смеси не ниже 80 mass%, а максимальная температура ограничена температурой плавления добавки. Метод ВТУС для синтеза плотных фаз углерода и нитрида бора был предложен достаточно давно [1], но детальных исследований условий удар- ного сжатия, характерных для этого метода, не проводилось. Основная идея метода связана с использованием ионных соединений (KCl, KBr и др.) в ка- честве добавок к превращаемому веществу. Роль добавки состоит в том, что она должна способствовать нагреву смеси на стадии сжатия до высоких температур и охлаждению ее на стадии разгрузки. Эффективное охлаждение определяется высокими значениями сжимаемости и теплоемкости добавки и существенно зависит от степени ее сжатия по отношению к теоретической плотности (т.е. от максимального давления сжатия смеси). В реальных усло- виях максимальная температура разогрева смеси УВ зависит не только от величины давления, но в более сильной степени − от исходной пористости сжимаемого объекта и используемой схемы нагружения. Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 72 В настоящей работе представлены результаты исследования превращения графитоподобного нитрида бора в плотные модификации в услови- ях ВТУС и проведена оценка P,Т-параметров сжатия смесей графитоподобного BN и KCl в цилиндрической ампуле с центральным стерж- нем (схема ампулы показана на рис. 1). Для превращения использовали порошки BN, полученного методом карбамидного син- теза. По данным рентгенодифрактометриче- ского исследования, для исходного BN была характерна низкая степень трехмерной упоря- доченности структуры (Р3 = 0–0.1), опреде- ленная по методике [2]. Электронная микро- скопия показала, что частицы порошка BN представляли собой пористые образования размерами от нескольких микрон до 1 mm, состоящие из кристаллитов размерами 3–10 nm (диаметр пор 200−500 nm). Смесь нитрида бо- ра и соли до загрузки в ампулу размалывали в планетарной мельнице в течение 1 h. В раз- молотом порошке средний размер частиц со- ставлял 5−7 µm, хотя встречались частицы соли размерами до 20 µm. Количество добавки KCl варьировали от 50 до 90 mass%. Плотность смеси в ампуле ρ00 соответствовала величине 0.335–0.4 от теоретической плотности ρ0 (для разных экспериментов), т.е. пористость обраба- тываемого порошка m = ρ0/ρ00 = 3–2.5. Рентгенофазовый анализ образцов после ВТУС и отмывки от соли показал, что исходный hBN превращается в кубическую модификацию, причем степень превращения существенно зависит от количества добавки KCl. При использова- нии в качестве взрывчатого вещества (ВВ) сплава ТГ(36/64) степень превра- щения уменьшалась до 0, если количество добавки было ниже 80% (рис. 2). Исследования образцов после ВТУС методами растровой и просвечиваю- щей электронной микроскопии показали, что смесь (по крайней мере ее основ- ная составляющая – соль) плавится в условиях сжатия (после взрыва образец состоит из оплавленных частиц, имеющих морфологию пористого шлака и размеры до нескольких миллиметров, рис. 3,а). При этом смесь не сплавлена в сплошной слиток, что говорит о недостаточности количества теплоты, выде- ляемой при сжатии, для полного расплавления смеси. Просвечивающая элек- тронная микроскопия позволила обнаружить в продукте шарообразные микро- частицы (размерами менее 1 µm), которые представляют собой шарики соли с Рис. 1. Схема цилиндриче- ской ампулы сохранения с центральным стержнем: 1 − ВВ, 2 − детонатор, 3 − стенка ампулы, 4 − центральный стержень, 5, 6 − заглушки, 7 − обрабатываемый материал 1 2 3 4 5 6 7 Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 73 покрытием из hBN. После растворения соли ос- таются полые сферы из графитоподобного нит- рида бора (рис. 3,б). Образование сферических частиц BN можно рассматривать как указание на локальное плавление нитрида бора и, следо- вательно, подъем температуры выше 3000 K. Перейдем теперь к анализу режимов удар- ного сжатия. Условия сжатия порошка в цилиндриче- ской ампуле сохранения существенно отли- чаются от условий сжатия плоской волной. В используемой ампуле сохранения порошок находится в зазоре между внешней стенкой и центральным стержнем и испытывает много- кратное воздействие УВ, поэтому давление в рабочей смеси поднимается поэтапно. На рис. 4 показана схема расположения фронтов УВ в стенке ампулы и в зазоре с обрабатываемым материалом в некоторый момент времени при сжатии порошка KCl c m = 2.5. Приведенные соотношения размеров стерж- ня, зазора, стенки и слоя ВВ соответствуют использованным в эксперимен- тах. Сплошными линиями на схеме обозначены фронты волн, соответст- вующих первым этапам сжатия, которые, как показано ниже, дают основной вклад в разогрев материала. Тангенсы углов между нормалью к фронту и нор- малью к оси ампулы определяли как отношение Dm/Dvv, где Dm − волновая ско- рость УВ в стенке или соли, а Dvv – скорость детонации. Тангенсы углов накло- на поверхностей стенки и стержня определяли как um/Dvv, где um − массовая скорость УВ в стенке или соли. При достаточной толщине заряда ВВ фронт а б Рис. 3. Особенности структуры смеси, обработанной УВ: а – оплавленная поверх- ность фрагмента материала, б – пустотелая микросфера BN с частицами перекри- сталлизованного hBN на поверхности Рис. 2. Зависимость выхода плотных фаз BN от содержа- ния в смеси добавки KCl 80 90 0 10 20 30 40 50 Y ie ld o f d en se B N -p ha se s, % KCL content, mass% Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 74 ФД ФР 1Fe 2Fe 4Fe 5Fe3Fe 3KCl 2KCl 1KCl 4KCl Dvv O O В ВС Б А С Б А ст м ст1 2 Рис. 4. Схема расположения фронтов УВ и волн разгрузки (сечение параллельно оси ампулы): ФД – фронт детонации, ФР – фронт разгрузки, Dvv – направление движения фронта детонации, (1−5)Fe – линии фронтов волн в стали, (1−4)KCl – линии фронтов в соли, ст1 − центральный стержень, м – зазор с обрабатываемым материалом, ст2 – стенка ампулы; ОО – ось ампулы, СС – граница стержень−зазор с материалом, ББ – граница зазор–стенка ампулы, АА − граница ампула−взрывчатое вещество, ВВ − граница взрывчатое вещество−воздух, пунктирные линии – фронты волн разгрузки продуктов взрыва (линия ФР) выходит на стенку ампулы доста- точно далеко от линии фронта детонации (ФД), и, таким образом, обрабаты- ваемый материал подвергается воздействию многих волн, формирующихся при отражении первой УВ от поверхностей раздела соль−сталь. В рассмот- ренном варианте число волн в рабочем зазоре, образующихся на участке сжатия, превышает 30, примерно такое же число волн можно выделить и в стенке. Отметим, что мы не учитывали волны, выходящие из стержня после отражения в центральной части, т.е. рассматривали случай толстого стержня. Для оценок температур необходимо определить давления, возникающие в зазоре с обрабатываемым материалом. Рассмотрим вначале процедуру на- хождения давлений в порошке чистого KCl. Из литературы известны удар- ные адиабаты (УА) KCl с пористостью m = 2.5 [3,4]. На рис. 5,a показана та- кая адиабата (УА1), построенная в координатах давление–относительный объем (P,V/V0) по данным [4]. В соответствии с теорией [4,5] УА1 построена выходящей из точки с координатами P = 0, V/V0 = 1, соответствующей бес- пористому состоянию (предполагается, что пористость исчезает при малых P и участок адиабаты от V/V0 = 2.5 до V/V0 = 1 идет очень близко к оси абс- цисс). Однако экспериментальные данные для углеграфитовых материалов [6] показывают, что УА порошков с малой плотностью могут достаточно далеко отстоять от оси абсцисс даже при сравнительно малых давлениях. Поэтому для KCl кроме УА1 мы построили еще два варианта ударной адиа- баты − УА2 и УА3. Построение проводили следующим образом. Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 75 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 0 5 10 15 20 25 30 5 4 3 2 1 C D B A P, G Pa V/V0 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 0 5 10 15 20 25 30 3 2 1 C D B A P, G Pa V/V0 а б Рис. 5. Варианты УА в координатах P(V/V0), использованные при расчетах темпе- ратур порошков: а − KCl: 1 − УА (m = 1), 2 − УА1 (m = 2.5), 3 − УА2 (m = 2.5), 4 − УА3 (m = 2.5), 5 − изотерма; б − BN: 1 − УА (m = 1), 2 − УА1 (m = 2.5), 3 − УА2 (m = 2.5). Линии подъема давлений в трех первых волнах изображены только для вариантов УА3 KCl и УА2 BN Литературные данные по УА пористого KCl, представленные в [3,4] в ви- де зависимости P(u) (u − массовая скорость) для P > 9 GPa, мы экстраполи- ровали в область давлений ниже 9 GPa. Участок УА от 0 до 40 GPa аппрок- симировали полиномом 2-й степени (УА2): P = 0.72·106u + 1000u2. Кроме того, для области давлений ниже 9 GPa использовали вариант ап- проксимации P = 1.8·106u + 650u2 (УА3). Обе кривые в координатах (P,V/V0) показаны на рис. 5,а. Кривая УА3 в области давлений ниже 9 GPa идет заметно выше кривой УА2. Для опреде- ления давлений в KCl за фронтом первой, второй и других УВ использовали графическую процедуру нахождения параметров среды P и u, возникающих при прохождении УВ через границу раздела сред, путем построения P(u)- зависимостей для продуктов детонации, материала ампулы (стали) и соли [7,8]. Параметры P и u находили по точкам пересечения УА или УА и кри- вых разгрузки, что соответствует условию равенства давлений и массовых скоростей по обе стороны от границы раздела сред. Результаты таких по- строений (для первых 5 волн сжатия соли) приведены на рис. 6. Для по- строения кривой разгрузки Рunl продуктов скользящей детонации использо- вали аппроксимацию полиномом P(u) ≈ 1934.5u2 − 1.36·107u + 2.95·1010 выражения, приведенного в [7], с учетом параметров детонации ВВ ТГ(36/64): PH = 29.5 GPa − давление в точке Чепмена−Жуге; Dvv = 7980 m/s; ρvv = = 1717 kg/m3 − плотность ВВ [7]. УА стали Р1Fe строилась также по данным [7]: Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 76 200 400 600 800 1000 1200 1400 1500 1600 4 8 12 16 20 24 28 P, G Pa , m/su Punl P7KCl P5Fe P5KCl 1 P6KCl P4KCl P3KCl P2KCl P1KCl P1Fe P2Fe P4Fe P6Fe 2 3 4 5 6 Рис. 6. Зависимости P(u) для определения давлений на начальных этапах сжатия соли. Пояснения к рисунку даны в тексте P1Fe = ρFe(aFe + bFeu)u, где ρFe − плотность стали; aFe = 3540; bFe = 1.84. Точка 1 (на рис. 6) дает давление в стенке ампулы за фронтом волны 1Fe (расположение фронтов см. на рис. 4). Кривая P2Fe соответствует волне раз- грузки в стенке ампулы, образующейся после выхода первой УВ в стенке на границу стенка−соль. Кривая P1KCl – УА KCl с m = 2.5 (на рисунке приведен вариант УА2). Точка 2 позволяет найти давление P1 в KCl за фронтом волны 1KCl. Кривая P2KCl – УА сжатия KCl волной, отраженной от поверхности центрального стержня (построена как УА для порошка, сжатого первой УВ). Значение пористости промежуточного состояния m = 1.2, которое возникает в порошке после прохождения волны 1KCl, получено по кривой УА2 на рис. 5,а для точки, соответствующей давлению P1. Точка 3 показывает давление, соз- даваемое в KCl за фронтом 2KCl (для рассматриваемого варианта P2 ≈ 9 GPa). P4Fe соответствует УА волны в стальной стенке, отраженной от границы стенка−продукты детонации. Кривая P3KCl – ударная адиабата KCl с m = 1 (соответствует волне 3KCl, отраженной от стенки). Точка 4 показывает дав- ление в KCl за фронтом 3KCl: P3 ≈ 15 GPa. Кривая P4KCl – ударная адиабата KCl, соответствующая волне, вышедшей из стенки, после отражения волны P4Fe от границы стенка−соль. (Все УА волн в KCl с номерами выше 3 строи- ли как УА KCl с m = 1.) Точка 5 дает давление в соли за фронтом 4KCl (P > > 21 GPa). Кривые разгрузки строили путем зеркального отражения кривой УА относительно вертикальной линии, проходящей через точку, соответст- Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 77 вующую параметрам среды перед разгрузкой. Формирование каждого ново- го фронта УВ в рабочем зазоре происходит в материале, сжатом предыду- щими волнами, и ведет к росту давления в соли. Как уже отмечалось выше, мы проследили формирование примерно 30 фронтов волн. При этом наблю- дается приближение давления в KCl к некоторому предельному значению (P* ≈ 33 GPa). Такой рост давления определяется расположением отрезков УА KCl между УА P1Fe и кривой разгрузки P6Fe. Отметим, что проведенное рассмотрение (и соответственно предельное значение давления в KCl) соот- ветствует случаю распространения волн в плоском рабочем зазоре между плоскими стальной стенкой и толстым центральным стержнем. Поэтому применение такого подхода к случаю цилиндрической ампулы возможно при достаточно тонком зазоре по сравнению с диаметром стержня. Для оценок температур взяты давления, возникающие за фронтами пер- вых трех волн в KCl: P1 = 2 GPa, P2 = 9 GPa, P3 = 15 GPa – для вариантов адиабат УА1 и УА2. Подобные построения для варианта ударной адиабаты УА3 дают: P1 ≈ 3 GPa, P2 ≈ 8 GPa, P3 ≈ 15 GPa. На рис. 5,а проиллюстрирован процесс расчета температуры для случая УА3. Точки B, C, D, расположенные на ломаной ABCD, определяют состоя- ние KCl (в том числе давление в соли) за фронтом 1, 2 и 3-й УВ. Точку B располагали на УА с m = 2.5, точку C − на УА с промежуточной пористо- стью, точку D − на УА с m = 1. Площадь между линией ABCD, осью абсцисс и изотермой сжатия (построенной по данным, приведенным в [9]) соответст- вует тепловой энергии, выделяемой в материале при ударном воздействии. По площади под каждым участком ломаной можно определить тепловую энергию Q, выделяемую за фронтом 1-й, 2-й и других УВ. (Для случая УА3 считали, что вся энергия, введенная в соль при сжатии 1-й УВ, переходит в тепловую.) Принимая, что V0 – молярный объем, подъем температуры за фронтом УВ находим как ∆T = Q/Cµ, где Cµ − молярная теплоемкость. В табл. 1 приведены рассчитанные температуры разогрева KCl (Т = Т0 + ∆Т) после прохождения 1, 2 и 3-й волн для разных вариантов УА (начальная температура среды Т0 принята равной 300 K). Для анализа полученных оце- нок учтем экспериментальные результаты плавления соли и литературные данные о зависимости Т плавления KCl от давления. Согласно [10] темпера- тура плавления Тmelt KCl растет при увеличении давления и составляет: при 15 GPa − 2700 K; при 20 GPa − 3000 K и при 30 GPa − 3500 K. Таблица 1 Температуры разогрева KCl ударными волнами (расчет без учета плавления) Т, KВариант УА 1-я волна 2-я волна 3-я волна УА1 1430 1620 1640 УА2 1270 2430 2500 УА3 1200 4600 5000 Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 78 Как видим, вариант УА1 дает слишком низкую температуру разогрева, и мы его не будем рассматривать в дальнейшем. В варианте УА2 соль не будет пла- виться даже после прохождения трех волн, а в варианте УА3 – плавится уже после прохождения второй волны. Как показано ниже, температуры разогрева смесей KCl + BN существенно ниже, чем чистой соли, поэтому вариант УА2 не будет обеспечивать плавление смесей, и далее мы будем рассматривать только вариант УА3. Заметим, что реальная температура разогрева после достижения Тmelt не будет расти, пока вся соль не расплавится. Оценки количества теплоты, выделяемой при сжатии соли по варианту УА3, показали, что его достаточно для нагрева соли до Тmelt и ее полного плавления. Поскольку экспериментально наблюдается только частичное плавление сжимаемого вещества, можно пола- гать, что реальная УА пористого KCl (m = 2.5) проходит ниже, чем вариант УА3, и соответственно величина тепловой энергии меньше. Рассмотрим теперь поведение смеси соли с нитридом бора. Для расчета температур разогрева смеси необходимо оценить температуры разогрева чистого BN. Известные из литературы УА нитрида бора [11,12] были по- строены для высокоупорядоченных (Р3 ≈ 1) образцов с пористостью m ≈ 1.1. Согласно результатам этих работ графитоподобный нитрид бора испытыва- ет фазовый переход в интервале давлений 12−20 GPa, поэтому УА BN со- стоит из трех участков: первый соответствует сжатию hBN, второй − смеси hBN с образующейся плотной фазой и третий − сжатию плотной фазы. Дан- ных об УА образцов турбостратного BN в литературе нет. Однако получен- ные нами результаты (см. рис. 2) указывают на отсутствие фазовых перехо- дов в чистом турбостратном BN, следовательно, его УА не должна иметь изломов, по крайней мере до 20 GPa. Учитывая это, в качестве УА BN мы использовали кривую, полученную экстраполяцией первого участка УА ра- боты [11] в область давления выше 12 GPa (кривая 1 на рис. 5,б). Поскольку данных по УА BN с высокой пористостью в литературе нет, мы построили УА BN для пористости m = 2.5 следующим образом. Определили пористость m, при которой УА BN идет вертикально вверх из точки V/V0 = 1. В соот- ветствии с теорией [5] m = (γ + 2)/γav, где γ − коэффициент Грюнайзена, γav – его среднее значение. Полагая для графитоподобного BN, что γ = γav = 0.5, получим m* = 5. Для BN с пористостью m = 2.5 УА1 провели посередине между вертикалью и УА BN c m = 1 как кривую, идущую в точку с координа- тами P = 0, V/V0 = 1 (кривая 2 на рис. 5,б). Для построения варианта УА2 BN мы первый вариант кривой перевели в координаты (P,u) и аппроксимировали ее участок для давлений ниже 10 GPa полиномом P = 6.7·105u + 1210u2. Используя эту аппроксимацию, построили УА2 BN в координатах (P,V/V0) для давлений ниже 10 GPa (кривая 3 на рис. 5,б). Далее, применив процедуру нахождения давлений, подобную рассмотренной выше для KCl, определили давления первых трех волн в ампуле с порошком BN (m = 2.5). Эти давления, соответствующие состояниям, отмеченным точками B, C и D на рис. 5,б, составили: P1 = 2.2 GPa, P2 = 11 GPa, P3 = 17 GPa. Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 79 Оценки температур в порошке чистого BN после прохождения первых трех волн дали для варианта УА1 BN Т ≈ 650 K, а для варианта УА2 BN Т ≈ 1200 K. При рассмотрении разогрева смесей считали, что каждая ее составляю- щая разогревается УВ независимо от второй как чистый материал, а затем происходит выравнивание температуры за счет теплообмена. Повышение температуры (относительно начальной) находили как ( ) 21 mix 1 2 11 k QkQT C  − ∆ = + µ µ  , где k = m1/(m1 + m2) – массовая доля BN в смеси; Q1 и Q2 − количество теп- лоты, выделяющейся при прохождении УВ в моле чистых веществ (опреде- ляли графически); µ1 − молекулярная масса составляющих; Сmix – удельная теплоемкость смеси, Сmix = kC1 + C2(1 − k). В табл. 2 приведены расчетные данные о температурах разогрева смесей разного состава ( k ) c учетом двух вариантов УА BN: I – УА3 KCl и УА1 BN; II – УА3 KCl и УА2 BN. Таблица 2 Рассчитанные температуры T(K) смесей BN−KCl (без учета плавления KCl) k 1 0.5 0.3 0.2 0.15 0.1 0 I 650 1750 2540 3140 3500 3900 5000 II 1200 2100 2780 3300 3650 4050 5000 Реальные температуры смеси будут ниже приведенных в таблице. Это связано с тем, что, во-первых, как мы уже отмечали, истинная УА KCl про- ходит ниже, чем УА3, и, следовательно, смесь нагревается слабее, чем ука- зано в таблице. Кроме того, реальная температура смеси не будет превышать температуру плавления KCl (2700 K при 15 GPa и 3500 K при 30 GPa). Полученные данные позволяют предложить схему ступенчатого повыше- ния давления и температуры в рассматриваемой ампуле сохранения (рис. 7). Схема построена в предположении, что теплообмен соль−BN успевает про- изойти за время подхода к данной области следующего волнового фронта, чему способствует высокая дисперсность порошков. Приведенная схема со- ответствует таким составам смесей, когда температура смеси ограничивает- ся величиной Тmelt соли (уже за фронтом УВ2). Можно полагать, что плавление соли на определенном этапе УВ- воздействия играет важную роль в развитии фазового превращения в нитри- де бора: частичное плавление KCl обеспечивает хорошее уплотнение смеси, хороший контакт BN с добавкой и, следовательно, эффективный разогрев нитрида бора. Кроме того, хороший контакт между составляющими смеси очень важен и на стадии охлаждения, когда охлаждение плотных фаз нитри- да бора обеспечивается отводом тепла к добавке. Если плавление не проис- ходит, то контакт между составляющими смеси плохой, и разогрев нитрида Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 80 4 8 12 16 20 24 28 32 P, G Pa 4+5 4 3 2 1 P* R 1 2 3 4 5 6 7 8 t , 10 s6 1 2 3 4 5 6 7 8 t , 10 s6 1 2 3 4 T, 1 0 K3 A B C а б Рис. 7. Диаграмма нарастания давления (а) и температуры (б) в обрабатываемой смеси (для состава с k ≤ 0.2): а − участки 1−5 показывают давления за соответст- вующим фронтом волны, пунктирная линия – рост давления до P, линия R − спад давления; б − A – расчетная температура KCl без учета плавления соли, В − темпе- ратура KCl с учетом плавления соли, С – температура BN в смеси. Полное время соответствует промежутку между прохождением через произвольную точку фронта детонации и фронта разгрузки бора идет не эффективно; в результате развитие диффузионного фазового превращения заторможено. Именно поэтому при k выше 0.3 выход плотных фаз падает до 0 (см. рис. 2). Остановимся теперь на вопросе охлаждения смеси при изоэнтропической разгрузке. Охлаждение связано в основном с расширением соли. В соответ- ствии с теорией [5] температура сжатого образца при разгрузке определяется выражением: ( ) 1 0 4exp 3v ST X C −γ   = θ −    , где Х = V/V0, θ0 – дебаевская температура при Х = 1, S1 – энтропия сжатого вещества в точке начала разгрузки, Сv – удельная теплоемкость, γ − коэффи- циент Грюнайзена. Здесь второй сомножитель, который определяет зависи- мость температуры от относительного объема, записан в упрощенном виде, соответствующем случаю γ ≈ const. Сжатие KCl по рассмотренной схеме при давлении P ≈ 33 GPa дает зна- чение Х ≈ 0.58. В момент завершения разгрузки принимаем Х ≈ 1, а остаточ- ная температура составляет некоторую величину Тk. Тогда коэффициент по- нижения температуры при разгрузке (Тmax/Тk) определится как отношение значений функции γ−X для значений Х = 0.58 и Х = 1, равное 2.26. Следова- тельно, при максимальной температуре соли Тmax = 3500 K температура соли после разгрузки будет соответствовать Тk ≈ 1500 K (для Тmax = 3000 K полу- чим Тk ≈ 1300 K). Плотные фазы BN охлаждаются при изоэнтропическом Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 81 расширении значительно меньше, чем KCl, из-за более низкой сжимаемости (так, при Тmax = 3500 K кубический BN охладится до Тk ≈ 2700 K). Тем не менее температура Тk смеси не будет существенно превышать значения 1000 K, поскольку Тmelt KCl при нормальном давлении ≈ 1050 K и процесс плавле- ния соли позволяет сохранить реальную температуру смеси после разгрузки ниже температуры начала обратного превращения образовавшейся кубиче- ской фазы BN, которая при нормальном давлении составляет 1300 K [13]. Полученные оценки позволяют считать, что хорошие условия сохранения плотной фазы (достаточно низкие остаточные температуры) могут быть реа- лизованы в случае, если Тmax не превышает 3500 K, при максимальном дав- лении 33 GPa и при этом только небольшая часть добавки плавится. Повы- шение максимального давления при сохранении величин P1–P3 делает ох- лаждение более эффективным. Выводы Проведенные исследования показали, что в использованной цилиндриче- ской ампуле сохранения кольцевого типа при ударно-волновой обработке материала его разогрев происходит поэтапно, что связано с многократными отражениями волн от границ обрабатываемый материал−сталь. При этом основную роль в разогреве вещества играют первые три волны. Величина давлений, создаваемых этими волнами, зависит от УА пористой смеси. Ход УА добавки в области давлений ниже 10 GPa оказывает сильное влияние как на величину достигаемой температуры, так и на особенности разогрева, ко- торый может быть либо сосредоточен в первой волне, либо распределен по времени прохождения нескольких волн. Разогрев смеси сопровождается ее частичным плавлением, что ограничивает величину достигаемой температу- ры. Плавление существенно влияет на развитие диффузионного фазового превращения благодаря формированию плотного контакта между KCl и BN, обеспечивающего теплообмен. Эффективность охлаждения продуктов сжа- тия зависит от максимального давления, достигаемого при сжатии смеси. Охлаждению способствует также процесс плавления добавки после разгрузки. 1. Н.И. Боримчук, А.В. Бочко, В.Б. Зелявский и др., Авторское свидетельство СССР № 1594869 (1988). 2. Н.И. Боримчук, А.В. Курдюмов, В.В. Ярош, V Всесоюзное совещание по детона- ции (сборник докладов), 5−12 августа 1991 г., Красноярск, Имтех, Черноголов- ка (1991), с. 43. 3. В.Е. Фортов, Л.В. Альтшулер, Р.В. Трунин, А.И. Фунтиков, Ударные волны и экстремальные состояния вещества, Наука, Москва (2000). 4. С.Б. Кормер, М.В. Синицын, А.И. Фунтиков, В.Д. Урлин, А.В. Блинов, ЖЭТФ 47, 1202 (1964). 5. В.Н. Жарков, В.А. Калинин, Уравнение состояния твердых тел при высоких дав- лениях и температурах, Наука, Москва (1968). Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 82 6. W.H. Gust, Phys. Rev. B22, 4744 (1980). 7. Ф.А. Баум, Л.П. Орленко, К.П. Станюкович и др., Физика взрыва, Наука, Моск- ва (1975). 8. Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер, Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических процессов, Наука, Москва (1966). 9. Л.В. Альтшулер, М.Н. Павловский, Л.В. Кулешова, Г.В. Симаков, ФТТ 5, 279 (1963). 10. С.Б. Кормер, М.В. Синицын, Г.А. Кириллов, В.Д. Урлин, ЖЭТФ 48, 1033 (1965). 11. Л.В. Альтшулер, М.Н. Павловский, В.П. Дракин, ЖЭТФ 52, 400 (1967). 12. Г.А. Ададуров, З.Г. Алиев, Л.О. Атовмян, Т.В. Бавина, Ю.Г. Бородько, О.Н. Горе- усов, А.Н. Дремин, А.Х. Мураневич, С.В. Першин, ДАН СССР 172, 1066 (1967). 13. А.В. Курдюмов, А.Н. Пилянкевич, Фазовые превращения в углероде и нитриде бора, Наукова думка, Киев (1979). V.F. Brytun, A.V. Kurdyumov, N.I. Borimchuk, V.V. Yarosh THE ESTIMATION OF P,T CONDITIONS REALIZED IN CYLINDRICAL AMPOULE UNDER HIGH-TEMPERATURE SHOCK COMPRESSION OF BORON NITRIDE The P,T characteristics of shock-wave compression of BN and KCl mixture in cylindrical ampoule are discussed. The KCl was used as an addition for increase of mixture tem- perature during compression and rapid decrease during unloading (in accord with pro- posed previously method of high-temperature shock compression). The values of pressure and temperature are estimated for multiwave condition of compression. It is shown that only first three waves contribute mainly to heating of the mixture under compression and increased the pressure up to 15 GPa. The next waves increase the pressure up to 30 GPa while the mixture temperature remains nearly unchanged. The temperature regime under compression depends on amount of KCl in mixture. The peak temperature is determined by the melting of KCl when KCl portion in mixture is not less than 80 mass%, these con- ditions are particularly favourable for cubic BN phase formation and conservation. Fig. 1. The diagram of cylindrical ampoule with central rod: 1 − high explosive, 2 − deto- nator, 3 − wall of ampoule, 4 − central rod, 5, 6 − stubs, 7 − work material Fig. 2. Amount of the yield of dense BN phases as a function of portion of KCl in mix- ture Fig. 3. The features of mixture structure after shock-wave compression: а − fused surface of material fragment, б − hollow microsphere of BN with regrown hBN particulates Fig. 4. The scheme of the fronts of shock waves and waves of unloading: ФД – front of detonation, ФР – front of unloading, Dvv – direction of detonation front movement, (1−5)Fe – lines of wave fronts in steel, (1−4)KCl – lines of wave fronts in salt, ст1 – central rod, ст2 – wall of ampoule, м – gap with work materials, OO – ampoule axis, CC – boundary between rod and material, ББ − boundary between material and steel wall, AA – bound of high ex- plosive, dot lines – lines of fronts at a moment Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 3 83 Fig. 5. Versions of shock adiabats (SA) plotted versus P(V/V0) used for powder tempera- ture calculations: а − KCl: 1 − SA (m = 1), 2 − SA1 (m = 2.5), 3 − SA2 (m = 2.5), 4 − SA3 (m = 2.5), 5 − isotherm; б − BN: 1 − SA (m = 1), 2 − SA1 (m = 2.5), 3 − SA2 (m = 2.5). The lines of pressure increasing for first three waves are shown for SA3 KCl and SA2 BN variants only Fig. 6. P(u) dependences to evaluate pressure at initial stages of salt compression. For explanation see the text Fig. 7. The diagram of pressure and temperature rise during compression: а − lines 1−5 show the value of pressure behind corresponding wave fronts; dotted line – rise of pres- sure up to P; R – drop in pressure; б − line A shows the temperature of salt without ac- count for KCl melting, B, C – temperature of salt (B) and BN in mixture (C) with account for KCl melting. The full time on the diagram is the period of high pressure acting at ar- bitrary point of mixture

Оценка P,T-условий, реализуемых при высокотемпературном ударном сжатии нитрида бора в цилиндрической ампуле сохранения

Institution

Ähnliche Einträge