Экспериментальное исследование фазовых превращений фуллерена C70 при ударно-волновом нагружении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Соколов, Сергей Николаевич

• Соколов, Сергей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Соколов, Сергей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.КТУРА, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНА С70 (ОБЗОР

ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1 Структура фуллерита С70.

1.2. Результаты экспериментов по исследованию термической стабильности фуллерита С70.

1.3. Результаты экспериментов по исследованию фазовых превращений при квазистатическом сжатии и фазовая диаграмма фуллерена С70.

ГЛАВА 2. ГЕНЕРАЦИЯ ВЫСОКИХ ДИНАМИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙ ПРИ ПОМОЩИ ВЗРЫВНЫХ МЕТАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДЫ СОХРАНЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СИЛЬНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН.

2.1. Взрывные метательные устройства.

2.2. Методы сохранения образцов после воздействия сильных ударных волн.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ФУЛЛЕРИТА С70 ПРИ УДАРНО-ВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ.

3.1. Исследуемый материал.

3.2. Постановка эксперимента.

3.3. Техника эксперимента.

3.4. Результаты экспериментов.

3.4.1. Эксперименты с полифазными образцами фуллерита С

3.4.2. Эксперименты с монофазными образцами фуллерита С

3.4.3. Эксперименты с тонкими образцами фуллерита С70.ЮЗ

3.5. Предварительное сжатие образцов при запрессовке в ампулы сохранения.

3.6. Сравнительный анализ результатов экспериментов.

ГЛАВА 4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

НАГРУЖЕНИЯ И ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА ФУЛЛЕРЕНА С70.

4.1. Построение P-U и h-t диаграмм и одномерное численное моделирование экспериментов.

4.2. Р-Т траектории экспериментов по ударно-волновому нагружению фуллерита С7о в ампулах сохранения на фазовой диаграмме фуллерена С7о.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование фазовых превращений фуллерена C70 при ударно-волновом нагружении»

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию фазовых переходов фуллерена С7о при ударно-волновом нагружении. Фуллерен — это одна из аллотропных модификаций углерода. Молекула фуллерена представляет собой выпуклый многогранник, в вершинах которого находятся атомы углерода. Известны фуллерены Сбо, С7о и высшие фуллерены. При нормальных условиях фуллерены существуют в виде фуллеритов - молекулярных кристаллов, в узлах решётки которых находятся молекулы фуллерена.

Актуальность. Согласно теоретическим исследованиям, фуллерены обладают уникальными физическими свойствами, обуславливающими огромные потенциальные возможности применения этих углеродных наноструктур. С 90-х годов прошлого века наблюдается повышенный интерес исследователей к изучению молекулярной и кристаллической структуры фуллеренов и их свойств в различных условиях. К настоящему времени структура и свойства наиболее распространенного фуллерена Сбо в значительной мере исследованы. Однако, фуллерен С70 и высшие фуллерены исследованы совершенно недостаточно. Данные различных групп исследователей в отношении фуллерена С70 не согласуются друг с другом, равновесная фазовая диаграмма фуллерена С70 как индивидуального молекулярного соединения изучена недостаточно. Информация о поведении фуллерена С70 при высоких давлениях имеет противоречивый характер. Определяемые исследователями параметры фазовых переходов зачастую зависели от способа исследования и среды, передающей давление. На момент начала данной работы полностью отсутствовала информация о поведении фуллерита С70 при ударно-волновом нагружении. Таким образом, спектр неизученных вопросов велик и по сей день. В этой связи исследования фазовых переходов в фуллерите С70 в условиях ударного сжатия представляют собой актуальную задачу.

Цель работы. Цель данной диссертации заключается в исследовании фазовых переходов фуллерена С70 при ударно-волновом нагружении.

Научная новизна.

Впервые исследованы фазовые превращения фуллерита С7о при ударно-волновом нагружении. Полученные экспериментальные данные о фазовом составе материала, сохраненного, после воздействия на поликристаллический фуллерит С7о различного исходного фазового состава плоских ударных волн, позволяют сделать ряд выводов об областях стабильности отдельных кристаллических фаз фуллерита С70.

Практическая ценность.

Полученные экспериментальные данные о фазовых превращениях фуллерена С7о при ударно-волновом нагружении в сочетании с имеющейся информацией о термодинамических свойствах и фазовых превращениях фуллерена Сбо открывают возможности для прогнозирования поведения неразделенной смеси фуллеренов, которая является относительно дешевым наноструктурным материалом, что. делает возможным создание с использованием этой смеси объемных наноструктурных композитных материалов с заданными свойствами.

Методы исследования. Эксперименты производились; с использованием взрывных метательных устройств и сборок : сохранения плоской геометрии. Взрывные работы выполнялись на стенде ВБК-2 ОИВТ РАН. Максимальные ударные давления достигались в течение нескольких циркуляций волн в образце (ступенчатое ударно-волновое сжатие) и составляли от 8 до 52 ГПа. Для проведения ударного сжатия образцов в условиях принудительно контролируемой температуры использовалось ударное сжатие тонких (~10-20 мкм) слоев исследуемого. фуллерита в массивных обкладках из эталонных материалов. Всего; было проведено 22 ударно-волновых эксперимента. Структура: сохраненных образцов исследовалась методами рентгенофазового анализа; нш установке ДРОН-ЗМ (Си Ка - излучение); Оценки параметров» нагружения исследованных образцов производились с использованием! уравнения состояния фуллерита Сбо

На защиту выносятся;

Экспериментальные данные о фазовом составе материала, сохраненного после ступенчатого ударно-волнового сжатия в диапазоне давлений от 8 до 52 ГПа поликристаллического фуллерита С70 различного исходного фазового состава, в привязке к траектории на Р-Т плоскости, реализованной в исследуемом образце в процессе взрывного эксперимента.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа объемом 154 страницы состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные результаты работы, а так же списка цитированной литературы.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Соколов, Сергей Николаевич

Основные результаты данной работы можно сформулировать следующим образом:

1. С использованием сборок сохранения плоской геометрии впервые проведены ударно-волновые эксперименты по исследованию фазовых переходов фуллерита С70 различного фазового состава в диапазоне давлений от 8 до 52 ГПа. Обнаружено, что при ударно-волновом нагружении фуллерит С7о испытывают серию фазовых переходов. Во всем исследованном диапазоне давлений результаты экспериментов с фуллеритами различного исходного фазового состава в целом совпадают.

2. В области давлений 9-23.5 ГПа фиксируется фазовое превращение ГПУ—>ГЦК, глубина которого увеличивается по мере увеличения интенсивности нагружения: в образцах, сохраненных после ударно-волнового нагружения С70 до давления 23.5 ГПа, фиксируется лишь кристаллическая модификация фуллерита С70 с ГЦК структурой ( ~ 4-5 % об.) и впервые наблюдается появление графитоподобного углерода (95 % об.). Данное фазовое превращение не может быть объяснено в рамках фазовой диаграммы фуллерена С70 [1] и, таким образом, данная фазовая диаграмма нуждается в уточнении. Для уточнения фазовой диаграммы одних только данных ударно-волновых экспериментов "с сохранением" недостаточно, необходимы дополнительные эксперименты в статических условиях.

3. Не смотря на более низкую (на 200-300 К) максимальную температуру в экспериментах с тонкими образцами, в них в целом наблюдается та же последовательность фазовых превращений, включая фазовое превращение ГПУ—>ГЦК, что и в стандартных экспериментах. Нестабильность результатов экспериментов с тонкими образцами и некоторые отличия в результатах экспериментов с тонкими (10-20 мкм) и стандартными (0.34 мм) образцами наблюдаются в области давлений 9-14 ГПа, что может свидетельствовать о том, что давления и температуры, реализованные в этих экспериментах (9-14 ГПа, 328-350 К) находятся вблизи линии фазового превращения, характер которого еще необходимо установить.

4. При увеличении ударного давления свыше 23.5 ГПа, до 32 ГПа и выше (вплоть до 52 ГПа) происходит полное разрушение молекул фуллерита С70 с образованием графитоподобного углерода.

5. При статическом сжатии фуллерена С70 с ГПУ-структурой при комнатной температуре в диапазоне давлений 0.3 - 0.6 ГПа наблюдается1 постепенное превращение ГПУ фазы в фазу с ромбоэдрической кристаллической структурой. В то же время ГПУ структура фуллерена С7о практически стабильна в условиях импульсного квазиизэнтропического сжатия с микросекундной длительностью вплоть до давления 8 ГПа. Это свидетельствует о том, что фазовое превращение ромбоэдрической фазы в фазу с ГПУ структурой является "медленным" и носит диффузионный характер.

Автор выражает благодарность своим научным руководителям А.З. Жуку и В.В. Милявскому, а так же сотрудникам ОИВТ РАН Т.И. Бородиной, К.В. Хищенко, П.Р. Левашову, М.Е. Поварницину, без помощи и советов которых выполнение этой работы было бы невозможным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Соколов, Сергей Николаевич, 2008 год

1. Sundqvist В. Fullerenes under high pressures I I Advanced in Physics. 1999. Vol. 48, no. l.P. 1-134

2. M.A.Verheijen, H.Meekes, G.Meijer, P.Bennema, JI.de Boer, S.van Smaalen, G.van Tendeloo, S.Amelinckx, S.Muto, J.van Landuyn. The structure of different phases of pure C70 crystals // Chemical Physics 166(1992) 287-297.

3. E.Grivei, B.Nysten, M.Cassart, and J-P.Issi. Thermal properties of C70 // Physical review B, vol.47, No.3,15 January 1993, 1705-1707

4. Vinayak P.David, Xiewei Lin, Hong Zhang, Shengzhong Liu and Manfrend M.Kappes. Transmission electron microscopy of C70 crystals at room temperature // Journal of Materials Research, vol.7, No.9, Sep. 1992, 24402446

5. Ch.Christides, T.J.S.Dennis, K.Prassides, R.L.Chapelletti, D.A.Neumann and J.R.D.Copley. Rotational dynamics of solid C70: a neutron-scattering study // Physical review B, vol.49, No.4,15 January 1994-11, 2897-2903

6. Ch.Christides, I.M.Tomas, T.J.S.Dennis, and K.Prassides. Pressure and temperature evolution of the structure of C70 // Europhysics letters, 22 (8), 1993,611-618

7. J.Janaki, G.V.N.Rao, V.Sankara Sastry, Y.Hariharan, T.S.Radhakrishnan, C.S.Sundar, A.Bharathi, M.C.Valsakumar and N.Subramanian. Low temperature x-ray diffraction study of the phases of C70 // Solid State Communications, vol.94, No.l, 1995, 37-40.

8. D.W.Snoke, Y.S.Raptis and K.Syassen. Vibrational modes, optical excitations, and phase transition of solid Сбо at high pressures // Physical review B, voi.45, No.24,15 June 1992,14419-14422.

9. H.Kawamura, M.Kobayashi, Y.Akahama. Orientational ordering in solid C70 under high pressure // Solid State Communications, vol.83, N0.8, 1992, 563565

10. H.Kawamura, Y.Akahama, M.Kobayashi, Y.Hasegawa, H.Shinohara, H.Sato and Y.Saito. Simple rhombohedral structure of C7o under high pressure //

11. Japanese journal of applied physics, vol.32, part 2, No. 1A/B, 15 January 1993, L101-L103

12. А. А.Максимов, К.П.Мелетов, Ю.А.Осипян, И.И.Тарковский, Ю.В.Артемов и М.А.Нудельман. Ориентационные фазовые переходы в кристалле С70 при высоком давлении // Письма в ЖЭТФ 57, 12 (25 Июня 1993) 801-805

13. N.Chandrabhas, A.K.Sood, D.V.S.Muthu, C.S.Sundar, A.Bharathi, Y.Hariharan, C.N.R.Rao. Reversible pressure-induced amorphization in solid C70: Raman and photoluminescence study // Physical review letters, vol.73, No.25 (19 December 1994) 3411-3414

14. A.Lundin, A.Soldatov and B.Sundqvist. Thermophysical properties of с up to 1 GPa // Science and technology of fullerene materials, edited by P.Bernier etc. (Pittsburgh, Pennsylvania: materials research society), 1995, 555-560

15. A.Lundin, A.Soldatov and B.Sundqvist. Compressibility and structure of C70 //Europhysics letters, 30 (8), 1995, 469-474

16. A.Soldatov and B.Sundqvist. Molecular rotation in с at high pressures: a thermal conductivity study // Journal of physics and chemistry of solids, vol.57, No.9, 1996, 1371-1375

17. H.Kawamura, Y.Akahama, M.Kobayashi, H.Shinohara, H.Sato, Y.Saito, T.Kikegawa, O.Shimomura and K.Aoki. Solid C70 at high pressure and high temperature // Journal of physics and chemistry of solids, vol.54, No. 12, 1993,1675-1678

18. Sheela K.Ramasesha, A.K.Singh, Ram Seshadri, A.K.Sood, C.N.R.Rao. Orientational ordering in C70. Evidence for three district phase transitions // Chemical Physics Letters, 220, 1994, 203-206

19. G.A.Samara, L.V.Hansen, B.Morosin and J.E.Schirber. Effect of pressure and ambient species on orientational ordering in solid C70 // Physical review B, vol.53, No.9,1 March 1996-1, 5211-5216

20. H.Kawamura, Y.Akahama, M.Kobayashi, H.Shinohara, Y.Saito. Crystal structure of C70 under high pressure: effect of alloying // Journal of the physical society of Japan, vol.63, N0.6, June 1994, 2445-2446

21. A.M.Rao, M.Menon, Kai-An Wang, P.C.Eklund, K.R.Sabbaswamy, D.S.Cornett, M.A.Duncan, I.J.Amster. Photoinduced polymerization of solid C70 films // Chemical Physics Letters, 224,1994,106-112

22. C.S.Sundar, P.Ch.Sahu, V.S.Sastry, G.V.N.Rao, V.Sridharan, M.Premila, A.Bharathi, Y.Hariharan, T.S.Radhakrishnan, , D.V.S.Muthu and A.K.Sood.

23. Pressure-induced polymerization of fullerenes: a comparative study of Сбо and C70 11 Physical review B, vol.53, No. 13,1 April 1996-1, 8180-8183

24. В.В.Бражкин, А.Г.Ляпин, С.Г.Ляпин, С.В.Попова, Р.Н.Волошин, Ю.А.Клюев, А.М.Налетов, Н.А.Мельник. Новые кристаллические и аморфные модификации углерода, полученные из фуллерита при высоком давлении // УФН, Т.167, № 9, 1997, 1019-1022

25. Y.Iwasa, T.Furudate, T.Fukawa, T.Ozaki, T.Mitani, T.Yagi, T.Arima. Structural and spectroscopic properties of pressure-induced C70 polymers // Applied physics A 64, 1997, 251-256

26. M.Premila, C.S.Sundar, P.Ch. Sahu, A.Bharathi, Y.Hariharan, D.V.S.Muthu and A.K.Sood. Pressure-induced dimerisation of C70 // Solid state communications, vol. 104, No.4,1997, 237-242

27. V.D.Blank, B.A.Kulnitskiy, O.M.Zhugalina. Dimerisation and polymerization of с after thermobaric treatment // Carbon, 38, 2000, 20512054

28. С.В. Першин, Г.И. Канель. Методы сохранения ударно сжатых образцови анализ картины сжатия. Черноголовка, ИХФ РАН, 1969. 33 С. 32.S.S. Batsanov. Effects of Explosions on Materials. Springer-Verlag. 1994. 194 p.

29. С.С. Бацанов. Инж.-физ. Ж. 1967, 12, 1, 104.

30. C.C. Бацанов. Изв. СО АН СССР, сер.хим.н. 1967, 14, 1, 22.

31. Дж.С. Райнхард, Дж. Пирсон. "Взрывная обработка металлов", изд. «Мир», М., 1066.

32. С.С. Бацанов, П.А. Ждан, В.Н. Каломийчук, ФГВ, 1968, №2, стр. 274.

33. J.L. Kiker, J. Sci. Instr., 1966, 43, № 4, 269.

34. C.C. Бацанов, A.A. Дерибас, E.B. Дулепов, М.Г. Ермаков, В.М. Кудинов, ФГВ, 1965, №4, стр.78

35. А.Н. Дремин, С.В. Першин, ФГВ, 1967, №1, стр.143.

36. Г.А. Ададуров, З.Г. Алиев, JI.O. Атовмян, Т.В. Бавина, Ю.Г. Бородько, О.Н. Бреусов, А.Н. Дремин, А.Х. Мураневич, С.В. Першин. ДАН СССР, серия техн. физика, 1967,172, №5,1066.

37. JI. В.Альтшулер, М.И. Бражник, В.Н. Герман и Л.И. Миркин ФТТ, 1967, т.9, в 11,3063.

38. А.Н. Дремин, К.К. Шведов, В.Е. Клаповский. Сб. «Взрывное дело», 63/20, изд. «Недра», М., 1967.

39. M.F. Rose, F.J. Grace. Brit.j.appl.phys., 1967, 18, 671-4.

40. Г.А. Ададуров, Т.В. Бавина, О.Н. Бреусов, А.Н. Дремин, Е.В. Клопова, В.Ф. Таций. О химических процессах при ударном сжатии. ВИНИТИ, per. №328-68.

41. М. Райе, Р. Мак-Куин, Дж. Уолш. В сб. "Динамические исследования твердых тел при высоких давлениях" под ред. В.Н. Жаркова, "Мир", М., 1965.

42. В.М. Гоголев, В.Г. Миркин, Г.И. Яблокова, ПМТФ №5, 1963, стр.93.

43. И.М.Воскобойников, А.Н.Афанасенков, В.М.Богомолов. ФГВ, 1967, №4. С. 1

44. J. Thouvenin. Journ. de phys., 1966, 27, №3-4, p.183-189.

45. J.F. Heyda. Symp. high dyn. pressure, Paris, sept. 1967.

46. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц. Механика сплошных сред. М. 195

47. P. Zaharrague, J. Morgan, J. Thouvenin. Symp. High dyn. 1967.

48. C.S. Smith. Trans AJME, 1958, 214, 574.

49. Дж.Н. Хант. Механика, 1969, №1(113), стр. 140.

50. В.В. Милявский. Эмпирическая формула для оценки параметров ударного сжатия пористого вещества // ТВТ. 2000. Т. 38. N 2. С. 232.

51. А.З. Жук. Экспериментальные исследования фазовых превращений в углеродных материалах в условиях ударно-волновых воздействий: Дис. окт. физ.-мат. наук. М., ОИВТ РАН, 2005. 242 с.

52. В.А. Лыков. Теория теплопроводности. М: Высшая школа. 1967. С. 599

53. V.D.Blank, N.R.Serebryanaya, G.A.Dubitsky, S.G.Buga, V.N.Denisov, B.N.Mavrin, A.N.Ivlev, S.N.Sulyanov, N.A.Lvova. Polimerization and phase diagram of solid C70 after HPHT treatment // Physics Letters A 248 (1998) 415-422.

54. Я.Б. Зельдович и Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений // М., Физматгиз, 1963, с. 1-632.

55. Жерноклетов М. В., Зубарев В. Н., Трунин Р. Ф., Фортов В. Е. Экспериментальные данные по ударной сжимаемости и адиабатическому расширению конденсированных веществ при высоких плотностях энергии. Черноголовка: ИХФЧ РАН, 1996. 385 С.

56. Трунин Р.Ф., Гударенко JI.B., Жерноклетов М.В., Симаков Г.В. Экспериментальные данные по ударно-волновому сжатию и адиабатическому расширению конденсированных веществ. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2001. 446 С.

57. LASL shock hugoniot data / Ed. by Stanley P. Marsh. University of California Press, 1981, Berkeley-Los Angelos-London.