Dieses Bild zeigt den Versuchsaufbau, bei dem eine Tantalprobe mit einem Laser schockbelastet und mit einem Röntgenstrahl untersucht wird. Die Beugungsmuster, die von einer Anordnung von Detektoren gesammelt wurden, zeigen, dass das Material eine Zwillingsbildung erfährt. Die Hintergrundillustration zeigt eine Gitterstruktur, die Zwillinge geschaffen hat. Kredit: Ryan chen / llnl

Zum ersten Mal berichteten Wissenschaftler über in-situ-Beugungsexperimente, die während der Schockkompression Verformungszwillinge auf Gitterebene messen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Natur von einem Forscherteam des Labors lawrence livermore und Mitarbeitern der Universität Oxford, des National Laboratory Los Alamos, der University of York und des nationalen Beschleunigerlabors slac veröffentlicht.

Die Schockkompression ist ein schwieriges Studiengebiet, da sie extreme Bedingungen wie hohe Drücke und Temperaturen mit ultraschnellen Zeitskalen kombiniert. Um das Problem zu vereinfachen, gehen Wissenschaftler oft davon aus, dass sich feste Materialien wie eine Flüssigkeit verhalten, fließen und ihre Form (Plastizität) ohne Widerstand ändern. Dennoch behalten die meisten Materialien als Festkörper auch eine Gitterstruktur. Wenn ein Material fließt, seine Form ändert, muss sich auch das Gitter ändern, während das regelmäßige Muster des Gitters erhalten bleibt. Das Studium der Plastizität auf einer fundamentalen Ebene beruht darauf, zu verstehen, wie sich das Gitter verändert, während sich ein Material verformt.

Dislokationsschlupf (wo Gitterversetzungen erzeugt werden und sich bewegen) und Zwillingsbildung (wo sich Subkörner mit einem Spiegelbildgitter bilden) sind die grundlegenden Mechanismen der plastischen Verformung. Trotz ihrer grundsätzlichen Bedeutung für die Plastizität war die Diagnose des aktiven Mechanismus in-situ (während des Schocks) schwer fassbar. frühere Forschung hat das Material nach der Tatsache (in \"Wiederherstellung\") untersucht, was zusätzliche komplizierende Faktoren einführt und zu widersprüchlichen Ergebnissen geführt hat.

\"In-situ-Beugungsexperimente gibt es schon seit einigen Jahrzehnten, aber erst in letzter Zeit haben sie an Bedeutung gewonnen, da Hochleistungslaser und röntgenfreie Elektronenlaser die Messungen breiter verfügbar gemacht haben, sensitiver und in der Lage, extremere Bedingungen zu erreichen\" sagte chris wehrenberg, llnl-physiker und leitautor auf dem papier. \"Unsere Arbeit hebt ein unerschlossenes Forschungsgebiet hervor, die Signalverteilung innerhalb von Beugungsringen, die wichtige Informationen liefern kann.\"

Die Experimente des Teams wurden an der Endstation der neuen Materie unter extremen Bedingungen durchgeführt, die sich an der kohärenten Linac-Lichtquelle von slac befindet und die führende Rolle bei einer großen, weltweiten Investition in Anlagen spielt, die in-situ-Beugung mit Hochdruck und Hochtemperatur kombinieren können. Dehnungsgeschwindigkeitstechniken.

\"In diesen Experimenten starten Sie eine Stoßwelle mit einem Laser, wo ein Strahl von Laser-erhitztem Plasma einen Gegendruck in Ihrer Probe erzeugt und den Zustand Ihrer Probe mit einem Röntgenstrahl untersucht\", sagte Wehrenberg. \"Die Röntgenstrahlen werden unter bestimmten Winkeln von der Probe gestreut, bilden Beugungsringe, und der Streuwinkel gibt Auskunft über die Struktur des Materials.\"

Trotz der wachsenden Popularität von In-situ-Beugungsexperimenten konzentrieren sich die meisten auf den Streuwinkel und adressieren nicht die Signalverteilung innerhalb eines Beugungsrings. Während dieser Ansatz offenbaren kann, wenn ein Material Phasen ändert, wird es nicht zeigen, wie sich ein Material außerhalb eines Phasenübergangs verhält.

Durch die Analyse der Signalverteilungsänderungen innerhalb der Linien konnte das Team Änderungen in der Gitterausrichtung oder -struktur feststellen und zeigen, ob ein Material eine Zwillingsbildung oder ein Gleiten durchläuft. Darüber hinaus konnte das Team nicht nur demonstrieren, ob die Probe-Tantal, eine Metall-Zwilling-oder Metall-Zwillinge oder rutscht, wenn Schock komprimiert, aber in der Lage, dies für den Großteil der gesamten Schockdruckbereiche zu demonstrieren.

\"Llnl beschäftigt sich intensiv mit der Materialmodellierung als Teil der wissenschaftlich fundierten Mission zur Verwaltung von Lagerbeständen und hat programmatische Bemühungen, Tantal auf molekularer Ebene zu modellieren, sowie Plastizitätsmodelle\", sagte Wehrenberg. \"Diese Ergebnisse sind direkt auf beide dieser Bemühungen anwendbar und liefern Daten, auf die die Modelle direkt für Benchmarking oder Validierung verglichen werden können. in der Zukunft, wir pla n, diese experimentellen Bemühungen mit verwandten Experimenten an der nationalen Zündanlage von Ilnl zu koordinieren, die Plastizität bei noch höheren Drücken untersuchen. \"

Während die Techniken zur Analyse von Röntgenbeugungsdaten für Änderungen der Textur und Mikrostruktur eines Materials in quasi-statischen Experimenten praktiziert wurden, sind sie neu auf dem Gebiet der Stoßexperimente. Diese Kombination von Techniken ist für viele andere Bereiche relevant. Zum Beispiel sind planare Verformungsmerkmale in Quarz, die durch Zwillingsbildung und Mikrofrakturierung verursacht werden, ein übliches Anzeichen für Meteoreinschlagstellen, und diese Merkmale können auch die Magnetisierung anderer geologischer Materialien beeinflussen. In ähnlicher Weise spielt die Zwillingsbildung eine entscheidende Rolle für das Selbstschärfungsverhalten von ballistischen Eindringkörpern und wurde mit einer erhöhten Duktilität in Hochleistungskeramiken für Rüstungsanwendungen in Verbindung gebracht. Das Verständnis der Hochrateplastizität ist entscheidend für die Härtung von Weltraumhardware vor Hypervelocity-Staubeinwirkungen und hat sogar Auswirkungen auf die Bildung interstellarer Staubwolken.

Quelle: Phys

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