Deformationsforsøg afslører indsigt i materialeændringer under stødkompression

For første gang, videnskabsmænd har rapporteret in-situ diffraktionseksperimenter, der måler deformations-twinning på gitterniveauet under stødkompression. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Natur af et team af forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory og samarbejdspartnere fra University of Oxford, Los Alamos National Laboratory, University of York og SLAC National Accelerator Laboratory.

Chokkompression er et udfordrende studieområde, da det kombinerer ekstreme forhold, høje tryk og temperaturer, med ultrahurtige tidsskalaer. For at forenkle problemet, videnskabsmænd antager ofte, at faste materialer opfører sig som en væske, flyder og ændrer deres form (plasticitet) uden modstand. Endnu, som et fast stof, de fleste materialer bevarer også en gitterstruktur. Når et materiale flyder, skiftende form, på en eller anden måde skal gitteret også ændre sig, samtidig med at det regelmæssige mønster af gitteret bevares. Studiet af plasticitet på et meget grundlæggende niveau hviler derefter på at forstå, hvordan gitteret ændrer sig, mens et materiale deformeres.

Dislokation-slip (hvor gitterdislokationer genereres og bevæger sig) og twinning (hvor sub-korn dannes med et spejlbillede gitter) er de grundlæggende mekanismer for plastisk deformation. På trods af deres grundlæggende betydning for plasticitet, diagnosticering af den aktive mekanisme in-situ (under chokket) har været uhåndgribelig. Tidligere forskning har studeret materialet efter kendsgerningen (i "genopretning"), som introducerer yderligere komplicerende faktorer og har ført til modstridende resultater.

"In-situ diffraktionseksperimenter har eksisteret i et par årtier, men har først vundet fremtræden for nylig, da højtydende lasere og røntgenfri elektronlasere har gjort målingerne mere tilgængelige, mere følsomme og i stand til at nå mere ekstreme forhold, " sagde Chris Wehrenberg, LLNL fysiker og hovedforfatter på papiret. "Vores arbejde fremhæver et uudnyttet studieområde, fordelingen af ​​signal inden for diffraktionsringe, som kan give vigtig information."

Holdets eksperimenter blev udført på den nye Matter in Extreme Conditions endestation, placeret ved SLACs Linac Coherent Light Source, som repræsenterer forkanten i en stor, verdensomspændende investering i faciliteter, der kan parre in-situ diffraktion med højtryks- og højspændingshastighedsteknikker.

"I disse eksperimenter, du starter en chokbølge med en laser, hvor en stråle af laseropvarmet plasma skaber et modsat tryk i din prøve, og undersøg tilstanden af ​​din prøve med en røntgenstråle, " sagde Wehrenberg. "Røntgenstrålerne vil sprede prøven i bestemte vinkler, danner diffraktionsringe, og spredningsvinklen giver information om materialets struktur."

På trods af den voksende popularitet af in-situ diffraktionseksperimenter, de fleste fokuserer på spredningsvinklen og adresserer ikke fordelingen af ​​signalet i en diffraktionsring. Selvom denne tilgang kan afsløre, hvornår et materiale ændrer faser, den vil ikke afsløre, hvordan et materiale opfører sig uden for en faseovergang.

Ved at analysere ændringerne i signalfordelingen inden for linjerne, holdet kunne registrere ændringer i gitterets orientering, eller tekstur, og vise, om et materiale var under twinning eller slip. Ud over, holdet kunne ikke kun påvise, om prøven - tantal, et metal med høj densitet – tvillinger eller glider, når stød komprimeret, men var i stand til at demonstrere dette for det meste af hele rækken af ​​stødtryk.

"LLNL er dybt engageret i materialemodellering som en del af den videnskabsbaserede stockpile stewardship-mission og har programmatiske bestræbelser på at modellere tantal på molekylært niveau, samt modellering af plasticitet, " sagde Wehrenberg. "Disse resultater er direkte anvendelige på begge disse bestræbelser, leverer data, som modellerne kan sammenlignes direkte med til benchmarking eller validering. I fremtiden, vi planlægger at koordinere disse eksperimentelle bestræbelser med relaterede eksperimenter på LLNL's National Ignition Facility, der studerer plasticitet ved endnu højere tryk."

Mens teknikkerne til at analysere røntgendiffraktionsdata for ændringer i tekstur og mikrostruktur af et materiale er blevet praktiseret i kvasistatiske eksperimenter, de er nye inden for chokeksperimenter. Denne kombination af teknikker er relevant for mange andre områder. For eksempel, plane deformationstræk i kvarts forårsaget af twinning og mikrofraktur er en almindelig indikation af meteornedslagssteder, og disse funktioner kan også påvirke magnetiseringen af ​​andre geologiske materialer. Tilsvarende twinning spiller en afgørende rolle i ballistiske penetratorers selvskærpende adfærd og er blevet forbundet med øget duktilitet i højtydende keramik til panseranvendelser. Forståelse af højhastigheds-plasticitet er afgørende for at hærde rumhardware fra støvpåvirkninger med hyperhastighed og har endda konsekvenser for dannelsen af ​​interstellare støvskyer.