Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование ударно-волновых процессов методом молекулярной динамики 12
1.1. Метод молекулярной динамики 12
1.2. Потенциалы межатомного взаимодействия 23
1.3. Ударные волны в твердых телах 30
1.4. Откольное разрушение металлов при ударном воздействии 33
1.5. Ударно-волновое компактирование нанопорошков 38
1.6. Молекулярно-динамические исследования ударно-волновых явлений в конденсированных средах 41
1.7. Выводы по главе 1 45
Глава 2. Влияние нанорельефа свободной поверхности на порог тыльного откола 48
2.1. Постановка молекулярно-динамической задачи о высокоскоростном соударении при наличии нанорельефа на тыльной поверхности мишени 50
2.2. Влияние нанорельефа на откольную прочность 53
2.3. Влияние нанорельефа на поля напряжений 58
2.4. Развитие неустойчивости Рихтмайера-Мешкова при наличии нанорельефа на поверхности мишени 64
2.5. Скорость тыльной поверхности при ударном воздействии 66
2.6. Зависимость эффекта увеличений от порога откола от геометрии выступов 68
2.8. Эволюция пластической деформации и температуры при отражении импульса ударного сжатия от поверхности с нанорельефом 77
2.9. Выводы по главе 2 84
Глава 3. Пластическая деформация при выходе ударной волны на поверхность металла с осажденными наночастицами 85
3.1. Постановка молекулярно-динамической задачи о высокоскоростном соударении при наличии осажденных наночастиц на тыльной поверхности мишени 85
3.2. Влияние осажденных наночастиц на откольную прочность 89
3.3. Влияние осажденных наночастиц на поля напряжений 98
3.4. Развитие неустойчивости Рихтмайера-Мешкова при наличии осажденных наночастиц на тыльной поверхности мишени 102
3.5. Эволюция пластической деформации и температуры при отражении импульса ударного сжатия от поверхности с осажденными наночастицами 104
3.6. Выводы по главе 3 109
Глава 4. Ударно-волновое компактирование наночастиц на металлической подложке в наноструктурированное покрытие 110
4.1. Постановка молекулярно-динамической задачи по компактированию наночастиц на металлической подложке 111
4.2. Анализ параметров ударно-волнового воздействия, приводящих к компактированию медных наночастиц на алюминиевой подложке 117
4.3. Влияние размера наночастиц на компактирование 127
4.4. Компактирование никелевых наночастиц на алюминиевой подложке 130
4.5. Баланс сил инерции и адгезии при компактировании наночастиц... 132
4.6. Анализ параметров лазерного облучения, необходимых для компактирования наночастиц 134
4.7. Выводы по главе 4 136
Заключение 138
Публикации автора по теме диссертации 140
Библиографический список 142
- Потенциалы межатомного взаимодействия
- Зависимость эффекта увеличений от порога откола от геометрии выступов
- Эволюция пластической деформации и температуры при отражении импульса ударного сжатия от поверхности с осажденными наночастицами
- Анализ параметров ударно-волнового воздействия, приводящих к компактированию медных наночастиц на алюминиевой подложке
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время развиваются методы генерации ультракоротких ударных волн в твердых телах интенсивным лазерным излучением пико- и фемтосекундной длительности [1-6]. С точки зрения физики конденсированного состояния важно, что такое излучение может создавать импульсы ударного сжатия длительностью десятки пикосекунд и амплитудой от единиц до десятков гигапаскалей [3-6]. Импульс ударного сжатия представляет собой ударную волну и следующую за ней волну разрежения. Интерес представляет взаимодействие таких импульсов с тыльной поверхностью облучаемого твердого тела, которое может сопровождаться явлением откола [4-8], а также выбросом частиц вещества за счет развития неустойчивости Рихтмайера-Мешкова [9-13]. Откольное разрушение твердых тел наблюдается при отражении импульса ударного сжатия от свободной поверхности, когда возникает импульс растяжения, характеризующийся отрицательным давлением. Отрицательное давление инициирует образование, рост и объединение микро- или наноразмерных полостей. При отражении импульсов сжатия длительностью в десятки пикосекунд скорости деформации достигают величин порядка обратных наносекунд, что обеспечивает значения откольной прочности близкие к теоретическому пределу [4,5,7]. Быстрота протекающих процессов и малая толщина мишени позволяют напрямую использовать метод молекулярной динамики (МД) для описания распространения и отражения импульсов сжатия [14-21].
При анализе устойчивости к тыльному отколу важным является как прочность материала по отношению к действию растягивающих напряжений, так и соотношение между амплитудами падающего и отраженного импульсов. Прочность металлов к растяжению интенсивно исследовалась при помощи МД моделирования, в том числе исследовалось влияние включений [14,22,23], полостей [17,24], границ зерен [16,20,21], двойников. Проблема уменьшения амплитуды волны растяжения, формирующейся у свободной поверхности, также заслуживает внимания. Наличие нанорельефа или осажденных наночастиц на свободной поверхности может влиять на ослабление отраженной ударной волны за счет потерь энергии на пластическую деформацию. Существуют работы по МД моделированию выброса струй с наноструктурированной тыльной поверхности металлов под действием сильных ударных волн [11-13]. В то же время, актуальным остается проведение МД исследований влияния рельефа тыльной поверхности или осажденных наночастиц на порог откола.
Импульсы ударного сжатия могут использоваться для консолидации порошков металлов и других материалов [25,26]. Специфика сжатия ударной волной состоит в локализации зоны высоких температур вдоль поверхности компактируемых частиц, что позволяет сохранить микроструктуру их внутренних частей. Такое сжатие может приводить к формированию микро- или наноструктурированных металлов [27,28], неметаллических соединений [29-32] и композитов [33-36]. В настоящее время ударная волна для компактирования порошка генерируется детонацией заряда взрывчатого вещества [32-34], либо высокоскоростным ударником, ускоряемым газовой пушкой [27,28,31,35] или магнитным полем [29], либо мощным лазерным облучением слоя вспомогательного
материала [31,37]. При этом сам порошок помещается в контейнер внутри ударно нагружаемой сборки, предотвращающей разлет частиц. При уменьшении размеров частиц сила адгезии становится достаточно существенной, чтобы предотвращать разлет частиц без использования контейнера. Актуальным является исследование возможности компактирования наночастиц, нанесенных на поверхность тонкой металлической фольги, ударными волнами инициированными облучением противоположной поверхности фольги.
Цель диссертационной работы составило молекулярно-динамическое исследование интенсивной пластической деформации при отражении ударной волны от свободной поверхности металла с нанорельефом или осажденными наночастицами, а также ее влияния на порог откола и возможность ее использования для компактирования наночастиц в нанокристаллическое покрытие. Конкретными задачами работы были:
-
Исследование влияния нанорельефа свободной поверхности твердотельного образца на порог откола при отражении пикосекундных импульсов ударного сжатия от этой поверхности;
-
Исследование интенсивной пластической деформации при отражении импульса ударного сжатия от поверхности с осажденными наночастицами и их влияния на порог откола;
-
Анализ возможности компактирования наночастиц, свободно лежащих на подложке, ударными волнами, вышедшими из подложки.
Метод исследования. Исследование рассматриваемых в диссертации процессов проводилось при помощи численного эксперимента. В качестве метода расчетов был выбран метод классической молекулярной динамики. Молекулярно-динамическое моделирование осуществлялось с помощью пакета LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) [38]. Визуализация и анализ данных выполнялись при помощи программы OVITO (Open Visualization Tool) [39]. Визуализация дефектной структуры осуществлялась на основе центрально-симметричного параметра [40], который для идеальной ГЦК решетки равен нулю, а отличие от нуля показывает степень дефектности; также применялся алгоритм “Common neighbor analysis” [41,42]. Интенсивность сдвиговой деформации рассчитывалась по смещению атомов [43,44]. Площадь свободной поверхности, ограничивающей занятые атомами области от пустот, находилась при помощи алгоритма “Construct surface mesh” [45].
Научная новизна:
-
Впервые показано, что наличие нанорельефа свободной поверхности может приводить к увеличению порога откольного разрушения при воздействии импульсов ударного сжатия пикосекундной длительности за счет ослабления отраженных импульсов растяжения вследствие потерь энергии на интенсивную пластическую деформацию элементов нанорельефа.
-
Показано, что наличие на поверхности осажденных наночастиц приводит при отражении ударных волн от поверхности к существенным потерям энергии на интенсивную пластическую деформацию, ослаблению отраженных импульсов сжатия и увеличению порога откола по отношению к импульсам ударного сжатия пикосекундной длительности.
3. Впервые продемонстрирована возможность ударно-волнового компактирования слоя наночастиц, лежащих на поверхности подложки и связанных с ней только силами адгезии, в нанокристаллическое покрытие при воздействии серии ударных волн, вышедших из подложки. Найдены условия лазерного облучения противоположной поверхности подложки, которые могут использоваться для генерации серии ударных волн и компактирования наночастиц.
Практическая значимость работы. Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что обнаруженный механизм повышения устойчивости к отколу может использоваться при разработке защитных конструкций. Предложенный метод компактирования наночастиц на поверхности подложки может использоваться для нанесения защитных и функциональных покрытий.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обусловлена использованием хорошо апробированного метода МД и потенциалов межатомного взаимодействия, а также хорошо апробированных комплексов программ для проведения расчета и анализа результатов, соответствием значений откольной прочности алюминия и меди при отражении ударной волны от плоской свободной поверхности экспериментальным данным. Помимо этого, обнаруженные явления и закономерности могут быть полностью объяснены на основе существующих теоретических представлений в области физики конденсированного состояния.
Личный вклад автора состоит в участии в формулировке цели и задач исследования, в выборе метода решения задач, поставленных в работе, в моделировании процесса интенсивной пластической деформации при отражении ударной волны от свободной поверхности металла с нанорельефом и от поверхности с осажденными наночастицами, включая проблему компактирования наночастиц, анализе полученных результатов, подготовке научных публикаций по результатам работы, апробации результатов на научных конференциях, в формулировке выводов по результатам исследования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Доказательство того, что наличие нановыступов на поверхности металла способно увеличить порог тыльного откола по отношению к импульсам ударного сжатия пикосекундной длительности из-за ослабления отраженной волны растяжения вследствие интенсивной пластической деформации выступов. Увеличение порога может достигать 40% по амплитуде ударной волны и является наибольшим при сопоставимости высоты нановыступов и ширины импульса сжатия, а также при отношении поперечного сечения выступа к общей площади поверхности порядка 0,3-0,4.
-
Заключение о том, что осажденные на поверхность металла наночастицы повышают порог откольного разрушения по отношению к пикосекундным импульсам ударного сжатия. Наиболее сильно на величину эффекта влияет размер ближайших к поверхности наночастиц. Максимальный эффект наблюдается при соприкосновении соседних столбцов наночастиц, то есть при плотном покрытии поверхности наночастицами.
-
Развитие неустойчивости Рихтмайера-Мешкова при большой высоте (превышающей ширину импульса сжатия) или площади поперечного сечения нановыступов, а также при большом диаметре наночастиц ограничивает увеличение порога тыльного откола. Неустойчивость приводит к нарушению целостности мишени за счет выброса струй вещества.
-
Заключение о том, что воздействие последовательных импульсов ударного сжатия на поверхность подложки со слоем наночастиц, удерживаемых адгезией, может привести к постепенному компактированию слоя в наноструктурное покрытие. Отсутствие выброса наночастиц связано с действием силы адгезии и развитием интенсивной пластической деформации под действием импульса ударного сжатия.
-
Результаты МД моделирования ударно-волнового компактирования наночастиц меди с диаметрами 6 нм и 12 нм и наночастиц никеля диаметром 6 нм. Для создания необходимого ударно-волнового нагружения можно использовать серии последовательных субпикосекундных импульсов мощного лазерного излучения, действующего на поверхность подложки, противоположную наночастицам.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, были представлены и обсуждены на следующих научных конференциях: 29th Nordic Seminar on Computational Mechanics (Гётеборг, Швеция, 2016), VI Всероссийской конференции по наноматериалам (Москва, 2016), XXXI International Conference on Equations of State for Matter (Эльбрус, 2016), 21st European Conference on Fracture (Катания, Италия, 2016), XXXII International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter (Эльбрус, 2017), LVIII международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Пермь, 2017), 14th International Conference on Fracture (Родос, Греция, 2017), LIX международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2017), 1st ECCOMAS Thematic Conference on Simulation for Additive Manufacturing (Мюнхен, Германия, 2017), 30th Nordic Seminar on Computational Mechanics (Копенгаген, Дания, 2017).
Публикации. Результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в 13 работах, из которых 3 публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ и приравненных к ним [А1-А3], 1 глава в монографии [А4], 9 тезисов и статей в сборниках трудов и докладов международных и всероссийских научных конференций [А5-А13].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка авторских публикаций по теме диссертации и списка цитируемой литературы. Объем диссертационной работы составляет 162 страницы, включая 43 рисунка, 7 таблиц, и 173 источников в списке цитируемой литературы.
Потенциалы межатомного взаимодействия
Взаимодействие частиц в МД определяется межатомным потенциалом, поэтому важную роль играет его выбор. Данный выбор подразумевает компромисс между скоростью расчетов и точностью полученных результатов. Построение полуэмпирического потенциала определяется аналитической формой потенциала, на основе выводов квантовой механики, физики и химии, и выбором феноменологических констант для описания физических характеристик системы, определяемых экспериментально. Поэтому построение потенциалов осуществляется в некоторых пределах их применимости.
Парные потенциалы межатомного взаимодействия применимы для описания взаимодействия двух частиц, которое определяется только их взаимным расположением. При этом на взаимодействие частиц не влияет положение каких-либо других частиц. Это позволяет качественно описывать многие физические явления и свойства веществ. Однако парные потенциалы имеют принципиальные недостатки. Если парные потенциалы для плотно упакованных кристаллических решеток обеспечивает устойчивость, то с более низкой плотностью упаковки во многих случаях являются неустойчивыми. Запишем энергию системы в приближении парных потенциалов: где ср(г) - потенциальная функция взаимодействия z-го и -го атомов, находящихся на расстоянии rij и положение которых определяется соответствующими радиусами-векторами ri и rj .
Для описания Ван-дер-Вальсового взаимодействия нейтральных атомов был предложен потенциал Леннарда-Джонса [91]: где а - межатомное расстояние ((р(ст) = 0), є - глубина потенциальной ямы на расстоянии rv2 . Здесь слагаемое с тГ6 определяет потенциал на дальних расстояниях и соответствует диполь-дипольному притяжению. На близких расстояниях слагаемое с г п задает отталкивание между парой атомов.
Выбор показателя степени 12 обусловлен математическим упрощением вычислениий. С помощью потенциала Леннарда-Джонса были получены термодинамические свойства инертного газа аргона в различных агрегатных состояниях [49]. Дальнейшие исследования показали низкую эффективность потенциала Леннарда-Джонса в расчетах для более сложных систем.
Более обоснованный потенциал Букингема [92] включает слагаемые, обеспечивающее отталкивание по экспоненте и притяжение за счет диполь-квадрупольного взаимодействия:
В модифицированной форме слагаемое с г"8 отсутствует. Для компенсации применяют изменение параметра а: где є - глубина потенциальной ямы, расположенной на расстоянии rmin, а -параметр крутизны экспоненциального отталкивания. Но данный потенциал при малых rtj давал неверное описание.
Без степенной зависимости был предложен потенциал Морзе [93]. Для него было получено согласование расчетных колебательных энергетических уровней двухатомных молекул с экспериментом. Потенциал Морзе имеет следующий вид: где є - глубина потенциальной ямы на расстоянии rmin, а - параметр, характеризующий ширину потенциальной ямы. Преимуществом данного потенциала является то, что он конечен при гу. = О:
Потенциал Морзе применяется в описании различных свойств металлов и сплавов [94,95].
Феноменологические параметры парных межатомных потенциалов определяются из экспериментальных характеристик металлов и сплавов, которые делят на структурные, энергетические и силовые. К структурным характеристикам относятся параметр решетки материала или межатомные расстояния, для нахождения которых применяются методы рентгеноструктурного анализа и электронной микродифракции [96]. Модули упругости относят к силовым характеристикам. Энергетические характеристики материала, например, энергия сублимации, энергия образования какого-либо дефекта и другие, зависят от состояния материала, области определения энергетического параметра внутри структуры материала [96].
В парных потенциалах не учитывается явно подсистема электронов проводимости. В металлических системах между атомами следует учитывать не только прямое ион-ионное взаимодействие, но и влияние электронов проводимости. На непарность взаимодействия указывает нарушение соотношения Коши в металлах [97].
Для описания энергетических состояний соединений с металлической связью был предложен потенциал «погруженного атома» (Embedded Atom Model - ЕАМ) [98]. На основе теории квантовой механики функционала электронной плотности, вклад в энергию произвольно расположенных ядер от взаимодействия с электронами определяется функционалом полной электронной плотности (функционал погружения) как сумма вкладов отдельных атомов. Таким образом, полная энергия системы состоит из двух слагаемых - энергии парного взаимодействия атомов и энергии взаимодействия каждого атома с электронной плотностью, создаваемой другими атомами: где p(rv) - парный потенциал, f(pt) - функция «погружения» /-го атома. Электронная плотность для z-го атома рг определяется сферически симметричными функцями одноэлектронной плотности пу(г) других атомов:
Функции p(fy), f(Pi), n(rij) рассчитываются на основе квантовомеханической теории, либо с помощью различных аппроксимирующих формул с феноменологическими параметрами, определяемыми экспериментально. Функцию р(Гу) представляют в виде парных потенциалов или в виде полиномов п-го порядка. На основе квантовомеханической теории определяют электронные плотности п(гу) для отдельных атомов. Из уравнения состояния определяют f(pt).
Метод ЕАМ эффективен для моделирования металлов или как средняя потенциальная функция сплавов, но для полупроводников и для материалов с ковалентными связями необходимы более сложные методы. Для полупроводников используется потенциал Стиллинджера-Вебера [99], который основывается на двухчастичном и трехчастичном слагаемых: где 6Jlk - угол, сформированный ij и ік связями, g( ) - функция, затухающая на расстоянии между первым и вторым ближайшими соседями.
Для данного потенциала наиболее выгодной является конфигурация, когда углы близки к углам алмазоподобной тетраэдрической структуры cos#.. =cosN09,47) =— . Этот потенциал применяется для описания кристаллического кремния [100]. Но характерный тетраэдрический уклон не позволяет использовать потенциал для определения энергии нететрагональных структур, обнаруживаемых под давлением, учета поверхностных структур и в других условиях, которые отличаются от тех, для которых он конструировался. На основе ЕАМ разрабатываются углозависимые межатомные потенциалы ADP (Angle Dependent Potential) для описания биметаллических конструкций [101].
Широкий диапазон применимости имеют многочастичные потенциалы Терсоффа [102,103]. Общая форма этого потенциала была предложена Абелем [102], после чего он был доработан Терсоффом [103]. Данный потенциал применяется для описания свойств ковалентной связи. В последствие потенциал Терсоффа был параметризован для углерода и его соединений с водородом Бреннером [104]. Здесь используется зависимость от локального окружения постоянной силы связи между двумя атомами. Потенциал Абеля-Терсоффа-Бреннера (АТВ) применяется в МД моделировании углеродных соединений, таких как углеродные кластеры, нанотрубки и т.п. [105,106]. Потенциал АТВ хорошо описывает механические свойства подобных структур, упругие свойства и зависимость динамики данных структур от температуры.
Зависимость эффекта увеличений от порога откола от геометрии выступов
Рис. 2.10 обобщает результаты расчетов пороговой скорости соударения и амплитуды ударной волны, приводящих к отколу, для медных мишеней с полной толщиной 44 и 22 нм. Порог откола приведен в зависимости от отношения высоты выступов к толщине ударника l/H (а) и в зависимости от отношения площади поперечного сечения цилиндрического выступа к полной площади поверхности образца (б). Эффект увеличения пороговой скорости является существенным если высота выступов сопоставима с толщиной ударника, следовательно, с шириной импульса сжатия (ширина импульса сжатия примерно вдвое больше толщины ударника, рис. 2.5). Уменьшение пороговой скорости соударения при больших отношениях l/H или d2/(4D2) связано с эффектом выброса массы с тыльной поверхности в виде струй (рис. 2.8).
Таким образом, расширение диапазона интенсивностей нагружения, не приводящих к отколу, для меди может достигать 500-600 м/с по скорости соударения или порядка 15 ГПа по амплитуде падающей ударной волны. Эффект увеличения пороговой скорости наблюдался также при других исследованных толщинах мишени, а также для мишеней с выступами в виде усеченных конусов с различным радиусом основания. В последнем случае эффект оказался меньше, чем для цилиндрических выступов, вследствие более сложных условий боковой разгрузки на поверхности конических выступов. Для проверки общности полученных результатов расчеты проводились также для алюминия. Результаты качественно похожи на случай меди, но эффект повышения порога откола оказался еще сильнее: при полной толщине мишени в 60 параметров решетки (24,3 нм) откол для плоской поверхности происходит при скорости соударения 1470 м/с, а для поверхности с цилиндрическими выступами с l / H =1 пороговая скорость соударения достигает 2630 м/с.
Дополнительные результаты определения порога откола для алюминия и меди с толщиной ударника H = 30 параметров решетки и толщиной мишени L =120 параметров решетки, а также с толщиной ударника H =15 параметров решетки и толщиной мишени L =135 параметров решетки представлены в табл. 2.1–2.4 и на рис. 2.11, 2.12. Полученные результаты соответствуют приведенным ранее данным по влиянию геометрических параметров выступов на порог откола.
Пороговая скорость столкновения для алюминиевого образца, приводящая к отколу или развитию неустойчивости, в зависимости от длины цилиндрического выступа для различных диаметров; сплошные линии – расчеты с толщиной ударника H = 30 параметров решетки (12,15 нм) и толщиной мишени L =120 параметров решетки (48,6 нм), пунктирные линии – с толщиной ударника H =15 параметров решетки (6,08 нм) и толщиной мишени L =135 параметров решетки (54,68 нм); диаметры цилиндров: квадраты – d =14 параметров решетки (5,67 нм), круги – d = 20 параметров решетки (8,1 нм), ромбы – d = 30 параметров решетки (12,15 нм).
Пороговая скорость столкновения для медного образца, приводящая к отколу или развитию неустойчивости, в зависимости от длины цилиндрического выступа для различных диаметров; сплошные линии – расчеты с толщиной ударника H = 30 параметров решетки (11 нм) и толщиной мишени L =120 параметров решетки (44 нм), пунктирные линии – с толщиной ударника H =15 параметров решетки (5,5 нм) и толщиной мишени L =135 параметров решетки (49,5 нм); диаметры цилиндров: квадраты – d =14 параметров решетки (5,06 нм), круги – d = 20 параметров решетки (7,23 нм), ромбы – d = 30 параметров решетки (11 нм).
Эволюция пластической деформации и температуры при отражении импульса ударного сжатия от поверхности с осажденными наночастицами
Проведен анализ величины пластической деформации при отражении импульса ударного сжатия от поверхности с осажденными наночастицами. На рис. 3.10-3.12 показано распределение интенсивности сдвиговой деформации, рассчитанной по смещению атомов [43,44]. Как и в случае с выступами, величина деформации достигает значений соответствующих пластическому течению. Зоны интенсивной пластической деформации наблюдаются в бывших наночастицах, которые подверглись наибольшему изменению формы при воздействии ударной волны.
Как и в случае с выступами, пластическая деформация сопровождается нагревом материала. Распределения температуры, рассчитанной по средней кинетической энергии неупорядоченного движения, представлены на рис. 3.11 и 3.13 для тех же моментов времени, что и деформация на рис. 3.10 и 3.12. Наибольший рост температуры наблюдается в самых деформированных частях образца. Теплопроводность оказывает существенное влияние на распределение температуры в образце.
Сдвиговая деформация в центральном сечении алюминиевой мишени с осажденными частицами с l / H =1 (диаметр 30 параметров решетки (12,15 нм), один слой); при скорости ударника 1500 м/с и полной толщине мишени 120 параметров решетки (48,6 нм).
Температура в центральном сечении алюминиевой мишени с осажденными частицами с l / H =1 (диаметр 30 параметров решетки (12,15 нм), один слой); при скорости ударника 1500 м/с и полной толщине мишени 120 параметров решетки (48,6 нм).
Сдвиговая деформация в центральном сечении алюминиевой мишени с осажденными частицами с l / H = 2 (диаметр 30 параметров решетки (12,15 нм), два слоя); при скорости ударника 1500 м/с и полной толщине мишени 120 параметров решетки (48,6 нм).
Температура в центральном сечении алюминиевой мишени с осажденными частицами с l / H = 2 (диаметр 30 параметров решетки (12,15 нм), два слоя); при скорости ударника 1500 м/с и полной толщине мишени 120 параметров решетки (48,6 нм).
МД исследование высокоскоростного соударения, проведенное для алюминиевых и медных образцов, показывает, что осажденные наночастицы делают свободную поверхность более стойкой по отношению к откольному разрушению, инициированному отражающимся импульсом сжатия. Наблюдается интенсивная пластическая деформация наночастиц при выходе ударной волны на тыльную поверхность с осажденными наночастицами. Амплитуда отраженного импульса растяжения ограничена из-за расходования части энергии импульса сжатия на пластическую деформацию, вследствие этого ограничивается и подавляется разрушение вещества в растягивающих напряжениях. Наиболее сильно на увеличение порога откола влияет размер первого, самого близкого к поверхности слоя наночастиц. Наибольший эффект упрочнения наблюдается при равенстве диаметра наночастиц поперечному сечению МД системы, то есть, с учетом периодических граничных условий, при соприкосновении соседних столбцов частиц. В этом случае нарушение целостности тыльной поверхности мишени происходит в основном за счет развития неустойчивости Рихтмайера-Мешкова, сопровождающейся выбросом струй вещества [11-13].
Анализ параметров ударно-волнового воздействия, приводящих к компактированию медных наночастиц на алюминиевой подложке
Сначала рассмотрим процесс уплотнения на примере многоколоночной МД-системы, которая включает алюминиевую подложку толщиной 120 нм и 55 столбцов одинаковых наночастиц меди диаметром 6 нм, расположенные в 20 слоев (рис. 4.1 (б)). Постановка задачи физически эквивалентна рассмотрению небольшого элемента подложки с наночастицами; этот элемент периодически повторяется вдоль осей y и z со свободными передними и задними поверхностями, перпендикулярными оси x. Импульс сжатия создается дополнительной силой, приложенной к атомам поверхностного слоя подложки, которая выбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемое значение давления. Эта дополнительная сила действует на поверхность подложки в течение конечного времени и создает импульс сжатия, распространяющийся в сторону наночастиц (рис. 4.1 (в)); импульс сжатия состоит из ударной волны и волны разрежения, следующих друг за другом. Моделируется последовательное действие до 20 импульсов сжатия.
Процесс воздействия первого импульса сжатия на слой наночастиц показан на рис. 4.2, на котором представлены распределения продольных напряжений (рис. 4.2 (а)) и центрально-симметричного параметра (рис. 4.2 (б)), характеризующего степень дефектности, в последовательные моменты времени. Изначально наночастицы задавались как соприкасающиеся сферы. В процессе предварительной релаксации МД системы до начала воздействия импульсов сжатия силы адгезии подтягивали частицы друг к другу и к подложке, создавая пятна контактов. Вследствие малых размеров частиц и большой роли сил адгезии, этот процесс привел к пластической деформации наночастиц. Поэтому следы пластической деформации (зеленые полосы с повышенной дефектностью на рис. 4.2. (б)) видны в срезе наночастиц еще до прихода первого импульса сжатия (момент времени 19 пс на рис. 4.2. (б)). Проникновение ударной волны в область наночастиц вызывает интенсивную пластическую деформацию, приводящую к схлопыванию полостей и объединению ближайших к подложке частиц в плотный компакт (моменты времени 21-25 пс на рис. 4.2). В рассматриваемом случае ударная волна проникает в область наночастиц на три-четыре слоя (момент времени 25 пс на рис. 4.2 (а)), что сопоставимо с шириной импульса сжатия (момент времени 19 пс на рис. 4.2 (а)). По мере проникновения ударная волна ослабевает с каждым слоем, как за счет отражения, так и за счет потерь энергии на пластическую деформацию. Из рис. 4.2 видно, что ударная волна неравномерно проходит слои наночастиц: она проникает значительно глубже в нижний столбец на этом рисунке. Эта неоднородность связана с различными ориентациями решетки, варьирующейся от наночастицы к наночастице. Порог и интенсивность пластической деформации зависят от ориентации решетки. В свою очередь, диссипация ударной волны выше в столбцах с более развитой пластической деформацией. В результате ударная волна проникает глубже в те столбцы, частицы которых ориентированы наименее благоприятно для пластической деформации. Этот вывод согласуется с самым низким уровнем следов пластической деформации, наблюдаемым для ближайших к подложке наночастиц в нижнем столбце на рис. 4.2 (б) среди всех других столбцов. Аналогичные изменения степени пластической деформации появляются на начальной стадии релаксации (момент времени 19 пс на рис. 4.2 (б)).
Формирование волны растяжения, отраженной от границы между подложкой и областью наночастиц, начинается еще на стадии проникновения ударной волны в область наночастиц (моменты времени 23 пс и 25 пс на рис. 4.2 (а)). Волна растяжения характеризуется положительным напряжением и отрицательным давлением. Следует подчеркнуть, что из-за короткой продолжительности импульса сжатия ударная волна полностью отражается от границы раздела между подложкой и областью наночастиц во время воздействия первого импульса и от границы скомпактированного слоя при следующих воздействиях. Ударная волна не доходит до внешней поверхности области наночастиц.
Интенсивная пластическая деформация, сопровождающая схлопывание полостей, приводит к образованию высокой плотности дефектов в полученном скомпактируемом слое (момент времени 25 пс на рис. 4.2 (б)). Наибольшие значения сдвиговой деформации относятся к ранее периферийным частям наночастиц (рис. 4.3 (а)), где имеет место наиболее неупорядоченная структура (рис. 4.2 (б)). Пластическая деформация приводит к существенному нагреванию материала (рис. 4.3 (б)); самые нагретые области соответствуют положениям схлопнувшихся пустот между наночастицами. Внутри наночастиц нет следов плавления меди; их внутренние области сохраняют кристаллическую структуру с большим количеством дефектов (рис. 4.2 (б)). Температура плавления превышена в поверхностных слоях вокруг прежних пустот, где распределение центрально-симметричного параметра дают полностью разупорядоченную структуру (рис. 4.2 (б)). Таким образом, повышенная температура из-за коллапса пустот между наночастицами облегчает их уплотнение в монолитный слой.
Эффект последовательных импульсов сжатия проиллюстрирован на рис. 4.4 (а), который показывает эволюцию центрального поперечного сечения МД системы. Последующие импульсы сжатия распространяются вдоль частично скомпактированного слоя и проникают глубже в область наночастиц. В результате вся толща нанопорошка постепенно компактируется в монолитное наноструктурированное покрытие (рис. 4.4 (а)). Полная толщина слоя как скомпактированных, так и не скомпактированных наночастиц постепенно уменьшается из-за заполнения пустот материалом. В случае 15 импульсов сжатия, показанных на рис. 4.4 (а), три внешних слоя наночастиц не полностью скомпактированы. Следует отметить, что никакого выброса наночастиц под действием ударной волны не происходит. Силы адгезии настолько велики, что позволяют наночастицам оставаться прикрепленными к подложке и друг к другу, пока ударная волна спрессовывает их, заполняя полости между ними. Полученное покрытие имеет выраженную нанокристаллическую структуру (рис. 4.4 (а)). С одной стороны, эта структура является следствием различной ориентации кристаллических решеток в разных наночастицах; с другой стороны, на ее формирование сильно влияет интенсивная пластическая деформация во время уплотнения. Анализ данных МД моделирования показывает, что сдвиговая деформация, рассчитанная по смещению атомов, в компактированном слое преимущественно локализована вдоль границ наночастиц (рис. 4.3 (а)). Следует подчеркнуть, что полученная структура остается стабильной при окончательном нулевом давлении в системе после распространения начальных и повторно отраженных ударных волн, а также отраженных волн растяжения через систему.
На рис. 4.4 (б-г) показаны зависимости оставшегося количества нескомпактированных слоев наночастиц от числа применяемых импульсов сжатия для разных амплитуд (8 ГПа, 10 ГПа и 12 ГПа) и длительностей импульсов (в диапазоне от 2 до 5 пс). Число нескомпактированных слоев оценивалось по площади свободной поверхности, по формуле (4.1). Приведенные данные свидетельствуют о том, что скорость компактирования (количество слоев, скомпактированных за один импульс) максимальна для первого импульса и далее монотонно уменьшается. Это связано с тем, что последующие импульсы сжатия должны завершать сжатие полостей, которые частично деформируются предыдущими импульсами. Увеличение как амплитуды, так и длительности импульса сжатия приводит к увеличению скорости компактирования, но чрезмерное увеличение их может привести к отколу. Так, для последовательных импульсов с длительностью 5 пс и амплитудой 12 ГПа (рис. 4.4 (б)) почти полное уплотнение 20 слоев наночастиц происходит в течение первых 9 импульсов, затем поверхность сглаживается до 12 импульсов включительно, а на 13-м импульсе происходит откольное разрушение, что недопустимо с точки зрения формирования покрытий. Вероятность откола возрастает по мере компактирования, поскольку механизм ограничения амплитуды волны растяжения (пластическая диссипация) становится менее эффективным вместе с уменьшением объема пустот между частицами. Поэтому при выборе режима обработки важно учитывать баланс между скоростью компактирования и вероятностью развития повреждений и откола.
Увеличение длительности импульса сжатия приводит к более глубокому проникновению каждого импульса в область наночастиц. Поэтому на первый взгляд представляется эффективным использовать импульс сжатия большой длительности с шириной равной или большей толщине слоев наночастиц, который бы позволил компактировать все слои за один проход. Однако расчеты показывают, при воздействии одного импульса сжатия большой длительности может возникнуть откол при меньшей амплитуде ударной волны, чем реализуются полное компактирование всех слоев. Использование нескольких импульсов сжатия с умеренной амплитудой и короткой длительностью является предпочтительным для формирования высококачественного покрытия и предотвращения откола.