Курсовая работа

Определение скорости звука в образцах из смеси нанопорошков никеля и алюминия при ударном сжатии

Московский государственный университет имени

Факультет фундаментальной физико-химической инженерии

Отдел экстремального состояния вещества

Лаборатория детонации

Курсовая работа

Определение скорости звука в образцах из смеси нанопорошков никеля и алюминия при ударном сжатии

Выполнил

студент 2 курса 201 группы

Подпись________________

Научный руководитель

к. ф.-м. н.

Подпись________________

Оглавление:

Глава I. Введение. Литературный обзор. 3

Глава II. Экспериментальные методы, методики и образцы для исследований. 7

Глава III. Результаты и их обсуждение. 16

Глава IV. Заключение. 23

Глава I. Введение. Литературный обзор.

Введение.

Система Ni+Al относится к реакционным материалам, представляющим собой порошковые смеси веществ, способных реагировать с большим тепловым эффектом без выделения газообразных продуктов (термитные смеси, смеси для получения интерметаллидов, смеси для СВС). Интерес к таким материалам связан с потенциальной возможностью реализации в них быстрой реакции в самоподдерживающемся режиме, так называемой безгазовой детонации. Результаты экспериментов по инициированию реакции ударной волной в таких системах показывают, что основное энерговыделение в объеме начинается намного позже момента сжатия, при этом остается неясным, успевает ли вещество хоть сколько-нибудь прореагировать за время существования высокого давления (~1 мкс). Ответ на этот вопрос является целью настоящего исследования. Для этого в работе предполагается провести эксперименты по измерению скорости звука в образцах в зависимости от давления сжатия. Поскольку скорость звука является весьма чувствительной характеристикой к процессам, происходящим в веществе, ожидается, что связанные с ней особенности позволят установить факт наличия реакции в образце. В связи с тем, что эффект может оказаться малым, планируется интенсифицировать реакцию за счет использования нанодисперсных порошков никеля и алюминия.

Литературный обзор.

Исследования поведения конденсированного вещества при ударно-волновом нагружении ведутся с конца сороковых годов прошлого века. Воздействие на вещество мощными ударными волнами приводит не только к его быстрому сжатию до высоких давлений и адиабатическому разогреву, но и сопровождается протекающими с чрезвычайно высокой скоростью процессами упруго-пластической деформации, разрушения, полиморфных и фазовых превращений, химических реакций, явлений электрической поляризации, ионизации и другими физическими и химическими явлениями. Тем самым создается уникальная возможность исследований фундаментальных свойств вещества и неравновесных процессов в экстремальных условиях [1].

Интерес к реакциям, происходящим при ударном сжатии смесевых образцов из реагирующих компонентов связан с созданием уникальных условий, способствующих реакции: возникновение значительных локальных напряжений и температурных градиентов, рост концентрации дефектов, возникновение новых поверхностей и очистка существующих.

А в настоящее время для исследований смесевых реакционных материалов используются множество методов [2]. К ним относятся методики с сохранением образцов в ударно волновом эксперименте для их последующего анализа. Методики измерения давления специальными датчиками, методики измерения волновых и массовых скоростей, пирометры, высокоскоростные камеры, термопары.

Из описанных выше методик особый интерес представляют методики, позволяющие регистрировать реакцию в субмикросекундном диапазоне времен.

В работе [3] была предпринята попытка зафиксировать реакцию в смеси никеля (хлопьевидные частицы) с алюминием (сферические частицы) составапо результатам отклонения экспериментально определенной ударной адиабаты смеси (зависимость скорости ударной волны от давления сжатия) от расчетной ударнойадиабаты смеси без учета реакции в диапазоне давлений до 6 ГПа. Было показано, что отклонение начинается уже при давлении 3,5 ГПа, что, по мнению авторов, обусловлено реакцией. Нанесение на график расчетных ударных адиабат предполагаемых продуктов реакции: NiAl, NiAl3, Ni3Al, очерчивающих границу полного превращения, показало, что отклонившиеся экспериментальные точки не выходят за рамки указанных кривых и приближаются к ним уже при давлении 5,3 ГПа. Это дает основание предполагать, что вещество реагирует полностью непосредственно вблизи фронта ударной волны при этом давлении.

В работе [4] проведено исследование ударно-волновых свойств реакционно-способной смеси Zn+S для трех различных давлений: 8ГПа, 13 ГПа и 21 ГПа с использованием лазерного интерферометра VISAR. Исследовались образцы трех типов, различающихся по дисперсности частиц цинка: грубодисперсный (23,8 мкм) , мелкодисперсный (8 мкм) и нанопорошок (36 нм). Характерный размер частиц серы во всех образцах составлял 1 – 2 мкм. На зарегистрированных профилях массовой скорости никаких очевидных особенностей, которые можно было бы связать с реакцией, не наблюдалось. Тем не менее, необходимо отметить, что хотя для всех образцов при низком давлении наблюдается одинаковая амплитуда ударной волны, начиная с 13 ГПа амплитуда ударной волны для нанообразцов оказывается несколько ниже, чем для грубо - и мелкодисперсного составов. Причем наблюдается удовлетворительная воспроизводимость этого результата.

Построение ударных адиабат (зависимость скорости ударной волны от массовой скорости) всех образцов показало, что ударные адиабаты для грубо - и мелкодисперсного составов практически совпадают при всех давлениях, в то время, как ударные адиабаты нанообразцов смещается вверх при массовой скорости более 1 км/с. Результат тем более удивителен тем, что плотность нанообразцов примерно на 10% меньше плотности грубо - и мелкодисперсного составов. Полученные результаты могут быть объяснены еслипредположить, что наночастицы цинка вступают в реакцию с частицами серы непосредственно в ударном скачке.

В работе [5] наблюдение реакции в смеси Ni+Al производилось по регистрации свечения вещества, сжатого ударной волной, с помощью пирометра, обладающего высоким временным разрешением. Регистрация велась в течение нескольких микросекунд на границе образца с сапфировым «окном». Авторами был зафиксирован приход ударной волны и следующий через некоторое время за ним быстрый рост интенсивности излучения за промежуток времени приблизительно 200 нс, которое они связали с началом реакции в образце. Похожие результаты были получены в более поздних экспериментах с образцами из смеси Mn+S [2]. Скачок интенсивности наблюдался менее чем через 5 мкс после прихода ударной волны на границу образца с «окном» из поликарбоната. Сравнение интенсивностей наблюдаемого излучения и излучения от фронта детонации в нитрометане, показало, что первое, по меньшей мере, на порядок слабее интенсивности излучения, которое имело бы место при реакции в объеме. На этом основании было сделано заключение, что источниками излучения являлись немногочисленные горячие точки, которые согласно оценкам занимали не более 5% фронтальной поверхности образца.

Более того, в той же работе [2] с использованием термопар было показано, что время задержки начала объемной реакции в смеси Ni+Al находится в интервале 80-300 мс.

Таким образом, одни исследования указывают на то, что смесевые составы способны реагировать в субмикросекундном диапазоне времен, а другие указывают на то, что реакция не успевает развиться даже за сотни миллисекунд. Пожалуй, наиболее убедительным доказательством протекания реакции за время ударного сжатия было бы обнаружение детонации – сверхзвукового стационарного процесса распространения импульса высокого давления, однако, никем это не было зафиксировано до настоящего времени. Поэтому, представляет особый интерес применение новых подходов к обнаружению реакции в субмикросекундном диапазоне времен.

Используемая в наших экспериментах методика, основанная на измерении скорости звука в ударносжатых образцах, позволит установить имеет ли место реакция в системе Ni+Al при ударном сжатии.

Глава II. Экспериментальные методы, методики и образцы для исследований.

Метод догоняющей разгрузки

Для измерения скорости звука в ударносжатых средах используются несколько методов: метод боковой разгрузки, измерение скорости звука внутренними датчиками и метод догоняющей разгрузки [6]. Здесь мы опишем метод догоняющей разгрузки, который и будем использовать в работе.

Идея метода догоняющей разгрузки для измерения скорости звука основана на определении такой толщины образца, при которой волна разгрузки догонит фронт ударной волны в образце. В таком случае можно будет пренебречь взаимодействием волны, отраженной от прозрачного окна и падающей волны разгрузки со стороны ударника. Это достигается за счет выполнения нескольких экспериментов с образцами различной толщины при каждом конкретном давлении. В результате эксперимента получается профиль скорости границы образец – водяное окно, повторяющий профиль давления в образце. Он включает в себя ударный скачок, область постоянных параметров и плавный спад скорости, обусловленный разгрузкой. Затем полученные данные используются для нахождения толщины образца¸ при которой волна разгрузки догонит фронт ударной волны в образце, путем экстраполяции к нулевой толщине образца в координатах ширина полки профиля ударной волны – толщина образца.

На рис. 1 приведена схема волновых взаимодействий в экспериментальной сборке:

Рис. 1. Схема волновых взаимодействий в экспериментальной сборке

Цифрами на рисунке обозначены:

1.  Тыльная граница ударника

2.  Фронтальная граница ударника

3.  Граница образца со стороны ударника

4.  Граница образца со стороны прозрачного окна

5.  Граница окна

Ударник, двигающийся со скоростью W, налетает на изначально неподвижный образец (Рис. 1). В результате в образце распространяется ударная волна D2, а в ударнике – D1-W, при этом граница ударник-образец приобретает скорость U. Ударная волна в образце выходит на границу с прозрачным окном, которая зондируется лазерным лучом. При этом в эксперименте регистрируется скачок скорости. Ударная волна на границе образец-окно отражается обратно в образец и взаимодействует с падающей волной разгрузки, в результате чего отклоняется. Метод состоит в том, чтобы на основе нескольких измерений найти такую длину, образца, при которой влиянием данноговзаимодействия можно было пренебречь. Ударная волна в ударнике при достижении его тыльной стороны отражается обратно волной разгрузки и распространяется в сторону водяного окна.

Скорость головы волны разгрузки (скорость звука в ударно сжатом веществе) определяется по следующей формуле:

, (1)

где h – экстраполированная к нулевой длине полки толщина образца

W – скорость ударника;

U – скорость границы образец-ударник

Ударное сжатие образцов

Для генерации ударных волн в образцах использовалась сборка изображенная на рис. 2 и рис. 3. Детонатор ‘1’ инициировал детонацию во взрывной линзе ‘2’, которая формировала плоскую ударную волну в алюминиевом ударнике ‘3’ диаметром 4 мм (5 мм), впрессованном в стальное кольцо ‘4’. Ударник разгонялся на базе полета ‘5’ длиной 8 мм (25 мм). В момент столкновения с поверхностью образца ‘7’ ударник имел скорость 1,4 км/с (3,3 км/с). Ударная волна, сформированная ударником на границе соприкосновения с образцом, распространялась по образцу и при этом в нем достигалось давление 9,6 ГПа (30,9 /ГПа) . Ударная волна выходила на границу образец-водяное окно. При этом интерферометр регистрировал скачкообразные увеличения скорости границы. Скорость границы оставалась постоянной до прихода волны разгрузки с тыльной стороны ударника. После этого начинался плавный спад скорости.

Рис. 2. Общий вид собранной установки

Рис. 3. Составные части сборки

Цифрами на рисункеобозначены: 1 – детонатор, 2 – генератор плоской ударной волны (взрывная линза), 3 – стальное кольцо, 4 – алюминиевый ударник, 5 – базы разгона ударника, 6–стальное кольцо, 7 – образец, 8 – алюминиевая фольга, 9 – водяное окно, 10 – вода.

Методика измерения.

Непосредственным результатом конкретного эксперимента является получение профиля скорости границы образец – водяное окно.

Для определения профиля скорости движения границы в сборке применялся лазерный доплеровский измеритель скорости VISAR (Рис. 4)[1], работа которого основывалась на эффекте Доплера. Так как при скорости движения отражающей поверхности ~100-1000 м/с эффект весьма мал (сдвиг волны излучения составляет ~10-3 – 10-2 А), то для его фиксации используются двухлучевые или многолучевые интерферометры. При этом изменения принимают дифференциальный характер, что существенно повышает их точность. Высокое пространственное разрешение лазерных методов обеспечивается тем, что зондирующее излучение лазера фокусируется на исследуемом образце в пятно диаметром ~ 0,1 мм.

Рис. 4. Схема регистрации волновых профилей лазерным допплеровским измерителем скорости.

На рисунке буквами обозначены:З1, З2 – 100% концевые зеркала;50/50 – 50%-ый светоделитель;ЛЗ – стеклянная линия задержки;П1 – поляризатор, ориентированный под углом 45° к горизонтали;П2 – поляризационный светоделитель;λ/4 – четвертьволновая пластинка;Ф1, Ф2 – фотоприемники выходного излучения;Ф3 – фотоприемник контроля интенсивности.

На рисунке выше приведена схема лазерного допплеровского измерителя скорости VISAR. Фиксация изменений скорости отражающей поверхности с его помощью производится путем регистрации периодических изменений интенсивности (биений) приинтерференции двух лучей когерентного света с близкими длинами волн. В данном случае интерферируют лучи света, отраженного от движущейся поверхности в разные моменты времени. Если скорость отражающей поверхности изменяется, то, вследствие сдвига во времени, величина эффекта Доплера для интерферирующих лучей оказывается различной. Регистрируемые фотоприемниками биения интенсивности имеют частоту, пропорциональную ускорению отражающей поверхности и величине относительного сдвига по времени.

Идея метода основана в приборе следующим образом. Излучение одночастотного лазера фокусируется на поверхности образца. Отраженный от контролируемой поверхности свет собирается линзой в квазипараллельный пучок и направляется в интерферометр. После сужения во входном телескопе пучок отраженного света расщепляется светоделитель на два луча равной интенсивности, которые направляются в оптически симметричные «плечи» интерферометра. Одно из плеч содержит стеклянную линию задержки, вследствие чего время двукратного прохождения света в этом плече больше, чем в противоположном, на некоторую величину Δt. После отражения от концевых зеркал оба луча возвращаются на светоделитель, где и происходит их интерференция. Для выполнения требований параллельности волновых фронтов рекомбинирующих лучей геометрические пути света в двух плечах интерферометра должны различаться на строго определенную величину:

, (2)

где ld, n – длина и показатель линии задержки. В этом случае время задержки равно:

, (3)

где с – скорость света в вакууме.

Вследствие оптической симметрии данного интерферометра пространственная когерентность анализируемого излучения не требуется. Хороший интерференционныйконтраст получается даже при работе со светом, отраженным от рассеивающей, шероховатой поверхности, когда входящий в интерферометр пучок имеет пятнистую поперечную структуру. Текущее значение монотонно изменяющейся скорости отражающей поверхности W(t) определяется по числу зарегистрированных фотоприемниками биений интенсивности света N(t) из соотношения ниже:

, (4)

где λ – длина волны зондирующего излучения, n – показатель преломления стекла линии задержки, N может быть нецелым числом.

Для надежной фиксации изменений знака ускорения при немонотонном изменении W(t) приборе предусмотрена система поляризационного кодирования. Перед расщеплением в большом светоделителе пучок отраженного от образца света поляризуется под углом 45° к горизонтали. Одно из плеч интерферометра содержит четвертьволновую пластину, в которой происходит сдвиг приблизительно на 90° фазы вертикально поляризованного света относительно горизонтальной компоненты. После рекомбинации лучей на выходе из интерферометра пучок света расщепляется на две компоненты с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Двумя фотоприемниками независимо регистрируются биения интенсивности каждой компоненты, которые оказываются также сдвинутыми на фазе друг относительно друга на 90°. В результате смена знака ускорения неизбежно будет зафиксирована по крайней мере одним фотоприемником по смене (вне экстремумов биений) знака изменения светового потока.

Образцы для исследований.

Образцы изготавливались из эквимолярной смеси порошков алюминия и никеля одинаковой дисперсности (нано) путем прессования в таблетки диаметром ~30 мм, ~40 мм и толщиной ~3 мм, 4 мм, ~4,5 мм, ~6 мм с усилием 8,355 тонн/см2 (Рис. 5). Пористость образцов составила ~25%. Перед прессованием смеси из наночастиц проходилимеханическую активацию в шаровой мельнице. Характеристики образцов приведены втаблице 1.

Рис. 5. Образец

Таблица 1. Характеристики образца

	Эксперимент 1	Эксперимент 2	Эксперимент 3	Эксперимент 4
Al/Ni, вес. %	31,5/68,5
Диаметр, мм	30,16±0,01	40,18±0,01	40,16±0,01	40,19±0,01
Толщина, мм	2,95±0,01	4,42±0,01	3,98±0,01	5,92±0,01
Плотность, г/см3	3,88±0,02	3,90±0,02	3,85±0,02	3,88±0,02
Пористость, %	24,7	24,4	25,3	24,8
Масса, г	8,19±0,01	21,88±0,01	19,44±0,01	29,18±0,01

Наночастицы никеля и алюминия получали в ИНЭПХФ РАН, г. Москва, на установке МИГЕН методом Гена-Миллера [16]. Изображения наночастиц исходных компонентов, представлены на рис. 6 и 7. Смешение порошков (около 5 минут) и механоактивация полученных наносмесей (около 5 минут) производилась в планетарной мельнице - "Активатор-2SL" (, Новосибирск).

Рис. 6. Изображение частиц никеля (нано).

Рис. 7. Изображение частиц алюминия (нано).

Глава III. Результаты и их обсуждение.

Результаты

Результатом эксперимента на VISAR являются 3 интерферограммы, компьютерная обработка которых позволяет восстановить профиль скорости границы образец – вода. Для обработки интерферограмм использовалась программа обсчета, написанная сотрудником лаборатории Сосиковым результата обработки приведен на рис. 8.

Рис. 8

В результате обработки были получены профили скоростей ударных волн на границе образец-вода (Рис. 9 и 10).

Рис. 9. Эксперимент 1, P=9,6 ГПа

Рис. 10. Эксперимент 2, , P=9,6 ГПа

На основе обработки данных профилей была установлена толщина образца, при которойволна разгрузки догонит ударную волну (Рис. 11):

Рис. 11. Толщина образца, при которой волна разгрузки догонит ударную волну.

В таблице 2 приведены ширины полок профилей для образцов с различной толщиной:

Таблица 2.

Толщина образца	Ширина полки профиля
2,956	0,547
4,424	0,225

На основе этих данных была рассчитана скорость звука в образце по методу догоняющей разгрузки, которая составила 6,05±0,3 км/с.

Аналогичные результаты профилей скоростей границ образец-вода представлены на рис. 12 и 13.

Рис. 12. Эксперимент 3, P=30,1ГПа

Рис. 13. Эксперимент 4, P=30,1 ГПа

На основе двух данный экспериментов была установлена толщина образца, при которой волна разгрузки догонит ударную волну (рис. 14):

Рис. 14. Толщина образца, при которой волна разгрузки догонит ударную волну.

В таблице 3 приведены ширины полок профилей для образцов с различной толщиной:

Таблица 3.

Толщина образца, мм	Ширина полки профиля, мкс
3,983	0,685
5,924	0,426

На основе этих данных была рассчитана скорость звука в образце по методу догоняющей разгрузки, которая составила 6,15±0,3 км/с.

Обсуждение результатов

На рис. 15 представлена экспериментально определенная в данной работе зависимость скорости звука от давления в исследуемых образцах. Также для сравнительного анализа приведена рассчитанная зависимость для сплошной смеси никеля с алюминием (Ni+Al) без реакции и расчет для сплошного конечного продукта реакции – алюминида никеля (NiAl).

Для кривых NiAl и Ni+Al расчеты производились по следующим формулам[1]:

, (5)

где α-массовая доля алюминия в смеси.

(для однокомпонентных состав: Al, Ni, NiAl), (6)

где a и b – коэффициенты в выражении для ударной адиабаты D=a+bu. Для определения a и b для NiAl использовались данные работы [7].

Рис. 15

Видно, что экспериментальная кривая проходит вблизи расчетной кривой для нереагирующей смеси Ni+Al, что должно указывать на отсутствие реакции. Однако, поскольку расчет выполнен для сплошных, а не для пористых образцов, то в расчете не учитывается разогрев, связанный с быстрой деформацией пористого вещества при ударном сжатии. Этот разогрев должен приводить к снижению скорости звука в образце за фронтом ударной волны, и расчетная кривая должна опускаться. С другой стороны, если образуется продукт – алюминид никеля, обладающий большей скоростью звука, то зависимость для смеси должна проходить все выше с увеличением его концентрации вплоть до верхней кривой (NiAl). Таким образом, относительное положение представленных на рисунке кривых не позволяет сделать однозначный вывод об образовании продукта реакции – алюминида никеля. Однако, если бы экспериментальная кривая проходила выше расчетной для сплошных смесевых образцов, то это позволило бы с уверенностью утверждать, что реакция имеет место. Также обращает на себя внимание любопытный факт, что в диапазоне давлений 10-31 ГПа скорость звука остается постоянной (около 6 км/с) и не зависит от давления. Такое поведение не может быть однозначно связано с реакцией, поскольку также может быть обусловлено высокой температурой разогрева в ударной волне. Таким образом, для четкого установления факта наличия реакции или ее отсутствия в системе Ni+Al при ударно-волновом инициировании требуется проведение дополнительных экспериментов с образцами из более грубодисперсной и, соответственно, значительно менее реакционноспособной смеси порошков никеля и алюминия.

Глава IV. Заключение.

Выводы.

1.  Обнаружено, что определенная в эксперименте зависимость скорости звука от давления проходит ближе к расчетной зависимости для смеси исходных компонентов, чем к таковой для продукта реакции. Это может указывать на то, что реакция не успевает развиться за время существования высокого давления. При этом скорость звука не зависит от давления ударного сжатия в диапазоне 10-31 ГПа.

2.  Для однозначного установления факта наличия или отсутствия реакции в наносмеси Ni+Al требуется проведение дополнительных экспериментов со значительно менее реакционноспособными образцами, например, из микродисперсной смеси Ni+Al.

Перспективы развития и внедрения полученных результатов.

Существующие методы исследования реакционной способности многокомпонентных материалов в субмикросекундном диапазоне времен при ударно-волновом инициировании не позволяют однозначно установить наличие или отсутствие реакции. Предлагаемый в настоящей работе подход, основанный на измерении скорости звука в ударносжатом веществе представляется весьма перспективным для решения этого вопроса. Результаты настоящей работы позволят оценить эффективность использования нанотехнологий для изготовления реакционных материалов и обозначить перспективы развития технологического прогресса.

Планы на следующий учебный год.

Провести аналогичные эксперименты для микродисперсной смеси  Ni+Al. С большой точностью можно сказать, что данные эксперименты помогут установить факт наличия реакции или, наоборот, опровергнуть его.

Список литературы.

1. , , Фортов -волновые явления в конденсированных средах. Москва, изд-во "Янус-К", 1996, 407 с.

2. Jetté F. X. etal. In-situ measurements of the onset of bulk exothermicity in shock initiation of reactive powder mixtures //Journal of Applied Physics. – 2011. – Т. 109. – №. 8. – С. 084905.

3. Eakins D., Thadhani N. N. Shock-induced reaction in a flake nickel+ spherical aluminum powder mixture //Journal of applied physics. – 2006. – Т. 100. – №. 11. – С. 113521.

4. , , Фортов сжимаемость смеси Zn+S при различной дисперсности цинка. ИПХФРАН, Черноголовка, ИТЭСОИВТРАН, Москва.

5. Boslough M. B., Graham R. bmicrosecond shock-induced chemical reactions in solids: First real-time observations //Chemical physics letters. – 1985. – Т. 121. – №. 4. – С. 446-452.

6. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках. Под общ. ред. д-ра физ.-мат. Наук . – Саров: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003. – 403 с. – ил.

7. //Physical Review B. – 2007. – Т. 76. – №. 13. – С. 134111.