ランプ圧縮下のアルミニウムの相変態パス。 シミュレーションと実験研究

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18954 (2022) この記事を引用

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我々は、ランプ圧縮荷重下でのアルミニウムの相変態現象を再現するための、非平衡分子動力学（NEMD）に基づくフレームワークを提案します。 シミュレーションされた応力密度応答、仮想 X 線回折パターン、および構造解析は、以前に観察された実験的なレーザー駆動ランプ圧縮のその場 X 線回折データと比較されます。 NEMD シミュレーションでは、固体間の相転移が最密面心立方晶 (fcc) (111)、六方最密充填 (hcp) 構造 (002)、および体心立方晶 bcc ( 110) 平面は平行のまま。 NEMD シミュレーションの原子レベルの解析では、ベイン変換によって起こる正確な相変態経路が特定されましたが、以前のその場 X 線回折データでは、正確な相変態経路を推定するための十分な情報が得られませんでした。

実験技術の進歩により、高圧下での固相安定性と固相-固相変態についての理解が大幅に向上しました。 ガスガン 1、パルスパワー 2、およびレーザードライバー 3 の開発とその場 X 線回折 (XRD) 4,5 の組み合わせにより、動的、高圧、衝撃、および擬似的な環境下での多数の材料の構造と相の情報が明らかになりました。ひずみ速度が 104 ～ 108 s-1 の範囲の等エントロピー圧縮。 In situ XRD は、さまざまな圧力でサンプルのデバイ・シェラー回折円錐を捕捉し、これらの回折円錐を \(2\theta -\phi\) 空間に投影できます。ここで、ブラッグ角 \(\theta\) は角度です。 X 線ビームと格子面群との間の角度、\(\phi\) は入射 X 線方向を中心とした方位角です。 \(2\theta\) プロファイルを使用して、ブラッグの法則に従って面間距離を計算できます6。 サンプルノルムと平面ノルムの間の角度である角度 \(\chi\) は、方程式 7 \(\mathrm{cos}\left(\chi \right)=\mathrm{cos}\left( \phi \right)/\mathrm{cos}(\theta )\) であり、どの面が平行のままであるかを追跡することによって、相変態中の結晶組織を評価するために使用されます。 この技術は、レーザー駆動衝撃タンタルの双晶形成や格子動力学 8、亜鉛フェライトナノ粒子の減圧中の高圧相安定性 9、グラファイトから六方晶系ダイヤモンドへの相変態経路 10 などの高温高圧物理学を理解するためにうまく適用されています。 。

Polsin らによる最近の研究 11 では、その場 XRD を利用して、ランプ圧縮荷重下でのアルミニウム (Al) の結晶構造が検出されました。 著者らは、六方稠密（hcp）構造への変態と一致する固体-固体相転移が約216 GPaで起こり、一方、体心立方（bcc）構造と一致する構造への変態が起こることを発見した。 320 GPa で発生します。 in situ XRD の結果は、最密面心立方晶 (fcc) (111)、hcp (002)、および bcc (110) 面が固体 - 固体 fcc-hcp および hcp-bcc 変態を通じて平行のままであることを示唆しました。 しかし、動的圧縮時の相変態のメカニズムと経路は、高圧研究における重要かつ興味深いトピックとして最近浮上しています 11,12,13,14 。 実験的には、これにはレーザー駆動の衝撃/ランプ圧縮中の時間分解回折測定が必要ですが、これは技術的に困難です。 しかし、複数の変態経路が変態中に同様の平行面を生成する可能性があるため、その場での XRD 結晶学であっても、高圧高温実験から正確な相変態経路を決定するには十分ではありません 15。 非平衡分子動力学 (NEMD) を利用すると、ランプ ローディングの NEMD シミュレーション中の各段階での構造の正確な原子構成を原子レベルで決定できます。 仮想 XRD プロファイルも簡単に取得でき、実験と直接比較してシミュレーションを検証できます。 したがって、NEMD シミュレーションは塑性変形メカニズムと構造相変態経路の基本的な理解を提供し、XRD プロファイルは実験的検証に使用されます。