극단적인 레이저 변형 하에서 탄탈륨의 위상 변환

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15064(2015) 이 기사 인용

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금속의 구조적, 기계적 반응은 상변태와 밀접하게 연결되어 있습니다. 예를 들어, 상 변태의 산물(마르텐사이트)은 강철의 강도와 인성을 엄청나게 높여 다재다능하고 중요한 구조용 재료로 만듭니다. 금속과 합금이 풍부하기는 하지만 새로운 상 변환의 발견은 현재 흔한 사건이 아니며 실험, 예측 계산 및 행운이 필요한 경우가 많습니다. 고에너지 펄스 레이저를 사용하면 그러한 발견이 있을 수 있는 극한의 압력과 온도를 탐색할 수 있습니다. 육각형(오메가) 상의 형성은 압력, 온도 및 변형률의 극단적인 체제에 적용된 4가지 결정학적 방향의 회수된 단결정체 중심 입방체 탄탈륨에서 관찰되었습니다. 이는 고에너지 펄스 레이저를 사용하여 달성되었습니다. 오메가 상 및 쌍정은 70 GPa에서 투과 전자 현미경으로 확인되었습니다(해당 VISAR 실험에 의해 결정됨). 충격 압축의 단축 변형 상태에 의해 생성된 전단 응력이 변형에 필수적인 역할을 한다고 제안되었습니다. 분자 역학 시뮬레이션은 동일한 응력 상태(압력 및 전단) 하에서 작은 결절이 신체 중심 입방체 구조에서 육각형 밀집 구조로 변환되는 것을 보여줍니다.

상전이는 재료의 특성을 결정하고 제어하는 ​​데 가장 중요합니다. 탄탈륨은 BCC(체심 입방체) 금속 모델입니다. 증가하는 압력과 온도1에 따른 높은 상 안정성 덕분에 연구자들은 상 변화와 관련된 합병증 없이 가소성을 탐구할 수 있었습니다.

그러나 탄탈륨의 고압, 고온 다형성에 관한 실험적, 이론적 논쟁이 계속되고 있습니다. Burakovsky et al.2는 단결정 Ta(~70 GPa 이상)의 고압 온도 영역에서 오메가(Ω) 상의 존재를 예측하는 순진한 시뮬레이션을 수행했습니다. Haskins 등은 밀도 범함수 이론 기반 모델과 일반화된 의사전위를 사용하여 육각형 위상에 대한 크기 효과를 확인했습니다. Shang et al.4는 순수 탄탈륨을 포함한 76개 고체 원소에 대한 상전이 압력을 체계적으로 계산했으며, 일반화된 경사 근사 내에서 프로젝터 증대 파동 방법을 사용하여 67.5 및 285GPa에서 fcc-hcp 전이를 언급했습니다. 실험적으로 Hsiung과 Lassila5,6,7,8은 순수 Ta와 Ta-W 합금에서 쌍정과 Ω 상을 관찰했습니다. bcc에서 육각형으로의 상전이는 Ta-10 W 합금에서 약 30GPa, 다결정 Ta에서 45GPa에서 1.8μs의 부하 지속 시간으로 발생했습니다. Hsiung과 Lassila7,8은 충격 압력이 bcc에서 Ω 단계로 탄탈륨의 전단 기반 변형을 초래한다는 것을 나타내는 메커니즘을 제안했습니다. Ω 상의 존재 가능성은 문헌에서 광범위하게 논의되었으며 불순물 및 결정립계 효과와 관련된 그 형성 및 안정성에 대해 상당한 정도의 불확실성이 있습니다.

이 보고서의 목적은 다양한 방향([001], [110], [111], [123])을 갖는 단결정 탄탈륨의 고체-고체 상 변형에 대한 관찰을 설명하는 것입니다. 충격은 매우 짧은 기간(~3ns)으로 압축됩니다. ) 및 단축 변형 상태에서 높은 변형률(~108s−1)을 나타냅니다. 이러한 관찰은 분자 역학 시뮬레이션에 의해 뒷받침되며, 이는 고에너지 펄스 레이저 압축에 의해 생성된 고압, 전단 변형률 및 변형률의 극한 상황에서 핵이 생성되는 상전이에 대한 강력한 사례가 됩니다. 극도의 응력 상태는 탄탈륨 시편이 배치된 캡슐을 관통하는 압력파를 생성하는 6개의 동시 입사 레이저 펄스에 의해 생성되었습니다(그림 1). 자세한 내용은 방법 섹션에서 제공됩니다.