Алюминий и цирконий под ударом: как шоковые волны нагревают материалы

Представьте себе метеоритный удар, который вызывает мгновенный нагрев материалов до немыслимых температур. Научные исследования, проведенные в Ливерморской национальной лаборатории (LLNL), показали, что шоковые волны могут значительно нагревать алюминий и цирконий, причем температура этих материалов оказывается гораздо выше, чем ожидалось.

Ученые из LLNL использовали ультрабыстрые рентгеновские зонды, чтобы отслеживать тепловую реакцию алюминия и циркония после воздействия шоковой волны. Результаты их исследований были опубликованы в *Journal of Applied Physics*.

Шоковая волна - это высокоамплитудная механическая волна, при прохождении которой через материал резко меняются такие свойства, как давление, плотность, скорость частиц и температура. Этот процесс термодинамически необратим, и значительная часть энергии шоковой волны уходит на повышение энтропии и температуры материала.

Для исследования температурной эволюции алюминиево-циркониевых металлических пленочных композитов, подвергнутых лазерному удару, команда использовала дифракционные схемы от рентгеновских импульсов длительностью в 100 фемтосекунд с задержкой от 5 до 75 наносекунд.

"Мы обнаружили значительное нагревание как алюминия, так и циркония после освобождения от удара, что может быть связано с теплом, образующимся в результате неупругих деформаций," - отметил ведущий исследователь LLNL Гарри Радоуски, соавтор исследования.

Оказалось, что традиционная гидродинамическая модель, использующая стандартные описания механической прочности алюминия и циркония, не смогла полностью объяснить наблюдаемое увеличение температуры. Это указывает на то, что другие механизмы, связанные с прочностью материалов, могут играть важную роль в тепловых реакциях при шоковых нагрузках и их снятии.

"Мы обнаружили, что значительная часть общей энергии удара, переданной лазерами, превращается в тепло из-за пластической работы, вызванной дефектами," - объясняет ученый LLNL Майк Армстронг, другой соавтор исследования. "Этот эффект нагрева может быть распространенным в экспериментах с лазерным шокированием, но он не был широко признан. Высокие температуры после удара могут вызывать фазовые преобразования материалов при освобождении от удара."

Кроме того, исследования могут найти применение в сохранении магнитных записей на планетарных поверхностях, которые подвергались ударам метеоритов.

Используя инструмент Matter in Extreme Conditions в Linac Coherent Light Source, команда обнаружила, что остаточные температуры значительно выше, чем ожидалось на основе стандартных гидродинамических симуляций освобождения. Это указывает на наличие других процессов, производящих тепло (например, образование пустот), которые обычно не включаются в эти модели.

Эти открытия проливают свет на фундаментальные механизмы, происходящие при шоковых явлениях, и могут помочь в разработке новых материалов, устойчивых к экстремальным условиям. Исследования продолжаются, и кто знает, какие еще интересные открытия они принесут в ближайшем будущем!

Источник:
DOI: 10.1063/5.0217779

=======================
Поддержите наш проект: подпишитесь на канал, поставьте ваши реакции или напишите комментарий, а также подписывайтесь на страницы нашего проекта на YouTube, VK и на сервисе поддержки авторов Бусти. Заранее спасибо!