Введение к работе
Актуальность. Изменения физических свойств конденсированных сред при уменьшении межатомного расстояния в результате сильного сжатия является фундаментальной проблемой физики высоких давлений Эта проблема охватывает широкий круг научных тем, среди которых исследования элементов периодической системы занимают важное место В последние годы было обнаружено, что фазы высокого давления представительного ряда элементов периодической системы (Ц К, Rb, Cs, Са, Sr, Ва, Si, As, Sb, Bi, Sc и др ) проявляют неожиданную тенденцию при полиморфных переходах (см [1-3] и ссылки в них) - в области давлений до 100 ГПа плотность упаковки и симметрия каждой последующей по давлению фазы вопреки принятым представлениям оказываются не выше, а ниже, чем у предыдущих фаз
Понижение симметрии и плотности упаковки сложных структур в фазах высокого давления элементов I и II групп к которым относятся К, Са, Sc связывают с переходом s-электронов в d- или р-зону при сильном сжатии Электроны частично занимают направленные в пространство между атомами орбитали, что приводит к уменьшению плотности заряда на ядре и потере сферической симметрии атомов и, в конечном итоге, к появлению сложных структур При этом превращения металлов первых периодов в разнообразные непредсказуемые структуры характеризуются немонотонным изменением электросопротивления
Следует отметить, что необычные структуры и их свойства были обнаружены и изучаются в подавляющем большинстве в условиях изотермического статического сжатия для температур не выше комнатной Изучение физических свойств этих структур в ударных волнах до настоящего времени не предпринималось В то же время, очевидно, что сопутствующий высокому давлению ударного сжатия разогрев материала позволяет достигать высокотемпературные области существования необычных фаз высокого давления При этом ряд экспериментальных и теоретических методов физики ударных волн позволяет определять изменения физических свойств необычных фаз в зависимости от температуры и давления и тем самым исследовать фазы высокого давления в труднодоступных участках их фазовых диаграмм В этой связи
исследования поведения сложных структур в условиях ударного сжатия представляют собой актуальную задачу
Цель работы. Цель данной диссертации заключается в комплексном исследовании электрофизических и теплофизических свойств фаз высокого давления таких элементов I и II групп как Са, К и Sc и выявлении индивидуальных особенностей фазовых переходов, протекающих в этих металлах при высоких давлениях и температурах ударного сжатия
Объект исследования. Полиморфные модификации и фазы высокого давления с пониженной плотностью упаковки металлов I и II групп периодической системы элементов Менделеева (К, Са и Sc)
Методы исследования. Электрофизические свойства калия, кальция и скандия в условиях ударного нагружения изучались с помощью методики непрерывной регистрации электрического сопротивления исследуемых образцов в процессе ударного сжатия Давление в ударных волнах измерялось методом манганинового датчика Различные режимы (однократный, ступенчатый) ударного сжатия образцов создавались ударом плоских металлических пластин, разогнанных продуктами взрыва до скоростей 2-4 км/сек Расчет термодинамических и кинетических параметров ударно сжатых фаз высокого давления исследуемых металлов осуществлялся в рамках полуэмпирического подхода
Научная новизна.
1 Впервые исследованы электрофизические свойства фаз высокого
давления кальция, калия и скандия в малоизученной области высоких
давлений и температур до 80 ГПа и до 2000 К соответственно
Показано, что при ударно-волновом нагружении Sc испытывает полиморфный переход в несоразмерную фазу высокого давления
В рамках новой полуэмпирической методики построены уравнения состояния полиморфных модификаций К, Са и Sc, в том числе их несоразмерных фаз высокого давления Sc-ll и К-Ш
Определен наклон линии равновесия между фазой низкого давления скандия Sol и его несоразмерной фазой высокого давления Sc-ll в диапазоне давлений до 20 ГПа
Определен наклон линии равновесия между ГЦК и ОЦК фазами
кальция в диапазоне давлений 40 ГПа
Практическая ценность. В работе отлажен ряд взрывных устройств для разгона ударников из нержавеющей стали толщиной 3,5-6 мм до скоростей 2-4 км/сек, позволяющих генерировать ударные волны амплитудой до 90 ГПа при диаметре плоского участка 40 мм Разработана новая полуэмпирическая методика, позволяющая реконструировать ударные адиабаты металлов по изотерме высокого давления, а также рассчитывать термодинамические состояния ударно сжатых фаз высокого давления В целом полученные результаты в сочетании с независимыми изотермическими и ударно волновыми экспериментальными данными позволили расширить границы исследования свойств исследованных металлов и их полиморфных модификаций в экстремальных условиях
Публикации и апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (п Эльбрус 2003г, 2005г и 2007г), Международной конференции «Shock Compression of Condensed Matter» (Baltimore, USA, 2005), Международной конференции «XIII Симпозиум по горению и взрыву» (Черноголовка, 2005), на Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокознергетических систем», на Международной конференции «Кристаллография при высоком давлении (Дубна, 2006), Уравнения состояния вещества» (п Эльбрус 2004г и2007г), Joint 21st AIRAPT Conference (Catania, Italy, 2007), Conference of the Yugoslav Material Research Society (Montenegro, 2007), а также на научных семинарах и конкурсах научных работ в ИПХФ РАН По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 в рецензируемых журналах и 7 в сборниках трудов и тезисов конференций
Структура и объем диссертации Диссертационная работа объемом 109 страниц состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные результаты работы В работе содержится 64 рисунка и 9 таблиц, список литературы включает 99 библиографических ссылок
