Forskning i tantal styrker fra omgivende til ekstreme forhold

Forskere fra Lawrence Livermore, Los Alamos og Sandia nationale laboratorier er gået sammen for bedre at forstå styrken af ​​tantal, et vigtigt platformsudviklingsmateriale i tri-lab-samfundet.

Værket bygger på forståelsen af, at tantal forbliver i en enkelt fast fase på tværs af hele spektret af undersøgte forhold. Dette inkluderer forhold, som National Ignition Facility på LLNL og Z-maskinen på Sandia har adgang til. Selvom tantal nominelt er simpelt, udviser det stadig kompleksitet i, hvordan processer i atomskala i materialet viser styrkevariabilitet, der spænder over næsten to størrelsesordener.

Forskningen, som er omtalt i Acta Materialia , fokuseret på at besvare to spørgsmål:giver disse forskelligartede eksperimenter et sammenhængende billede af styrke? Og ved integreret analyse af forskellige eksperimenter, kan forskere fremme den teoretiske forståelse og modellering af styrke under ekstreme forhold?

Forskerne brugte data fra syv forskellige typer eksperimenter og sammenlignede tre uafhængige styrkemodeller for at udforske styrke med en ny grad af krydssammenligning over en lang række forhold. I denne indstilling refererer styrke til materialets modstand mod permanent deformation. Den form for permanent deformation diskuteres ofte i form af plastisk belastning. Hastigheden af ​​materialets deformation - dets hastighed - blev også undersøgt. Raten er omvendt relateret til varigheden af ​​eksperimentet. De eksperimenter, der havde den korteste varighed, undersøgte de højeste belastningsrater. NIF-eksperimenterne opnåede adgang til de mest ekstreme forhold, og styrkedata indsamles over kun titusvis af nanosekunder i NIF-optagelserne.

Nathan Barton, programgruppeleder for kondenseret stoffysik inden for Weapons Physics and Design Program ved LLNL og medforfatter til arbejdet, sagde, at arbejdet er i overensstemmelse med NNSA-laboratoriernes store videnskabsmissioner.

"Arbejdet trak kritisk på emneekspertise fra hele laboratorierne," sagde Barton. "Vi havde brug for ekspertise i både dataindsamlingen og de relevante analyseteknikker for alle de eksperimentelle platforme."

Forsamlingen af ​​tri-lab-teamet voksede ud af tekniske diskussioner ledet af Bruce Remington på LLNL, Rusty Gray på LANL og Dawn Flicker fra Sandia. Dana Dattelbaum, der fører tilsyn med det relevante programområde på LANL, beskrev niveauet af tri-lab-samarbejde, der førte til dette papir, som hidtil uset.

I traditionelle applikationer har forskere en tendens til at tænke på styrken af ​​et materiale som værende relativt ufølsomt over for tryk og hastighed. Ser man på den ekstreme række af forhold, der er adgang til på eksperimentelle platforme i NNSA-virksomheden, ser forskere styrkevariationer med næsten to størrelsesordener - fra 0,15 gigapascal (GPa) til over 10 GPa. En gigapascal svarer til omkring 10.000 atmosfæres tryk. Som et nyttigt sammenligningspunkt kan et højstyrkestål have styrke omkring 1 GPa ved omgivende forhold og konventionelle hastigheder. Så på tværs af de undersøgte forhold gik tantalen fra at være meget blødere til at være omkring 10 gange stærkere end et højstyrkestål under konventionelle forhold.

"Det unikke aspekt er niveauet af forståelse, som vi var i stand til at opnå ved at tage et samlet kig på data fra sådan en række eksperimentelle platforme," forklarede Barton. "Det arbejde, der er skitseret i papiret, undersøger tryk fra omgivende til over 350 GPa, belastningshastigheder fra 10 ⁻³ til 10 ⁸ sekund og temperaturer fra 148 til 3.800 Kelvin."

Den integrerede tilgang hjalp forskere med at isolere tryk- og hastighedseffekter. "Selvom det er glædeligt, at vi kunne justere modeller, der er i almindelig brug for at fange observationerne, er det klart, at vi har mere arbejde at gøre for fuldt ud at forstå og forudsige materielle reaktioner over en så dramatisk række af forhold," sagde Barton. /P>

Tri-lab-aktiviteten, der er skitseret i papiret, er i gang og er fortsat et værdifuldt redskab til at koordinere evalueringen af ​​eksperimentelle data fra en række eksperimentelle platforme, herunder flagskibs DOE-faciliteter såsom NIF på LLNL, Z-maskinen på SANDIA og Dynamic Compression Sector ved Advanced Photon Source på Argonne National Laboratory. Tri-lab-teamet har flyttet fokus for at undersøge styrken af ​​materialer, der gennemgår fasetransformationer, og en niveau 2-milepæl på dette område blev netop afsluttet med succes. Adskillige præsentationer på en American Physical Society-konference denne sommer vil indeholde aspekter af dette nyere arbejde, og der vil være yderligere publikationer fra tri-lab-teamet. + Udforsk yderligere

Forskning fremhæver teknikker til at studere materialer under ekstreme forhold