ДАВЛЕ́НИЯ ВЫСО́КИЕ
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ДАВЛЕ́НИЯ ВЫСО́КИЕ в физике, область давлений, обусловленных сжатием и/или нагреванием вещества, в которой физич. и химич. свойства вещества существенно отличны от его свойств в нормальных условиях. Состояние вещества при таких давлениях называют экстремальным. Значения давлений, которые принято считать Д. в., зависят от рассматриваемых физич. явлений или конкретных задач. Так, свойства газов с ростом давления до ок. 0,1 ГПа при нормальной темп-ре приближаются к свойствам жидкости, и для газов такие и более высокие давления считают Д. в. Для жидкостей вследствие их малой сжимаемости область Д. в. начинается от единиц ГПа. Такие же значения давлений считаются высокими и для твёрдых тел, однако в некоторых случаях существенные изменения их свойств могут происходить и при более низких давлениях. Напр., при одноосном сжатии металлов происходят необратимые деформации при давлениях (напряжениях) в десятки и сотни МПа. С ростом давления уменьшаются межатомные и межмолекулярные расстояния в веществе, и иногда к Д. в. относят давления, при которых изменение этих расстояний сопоставимо с их значениями, т. е. давления порядка модулей упругости. В природе наиболее высокие значения имеют давления в центрах планет и звёзд. Напр., в центре Земли они ок. 360 ГПа, Юпитера – порядка 2·104 ГПа, Солнца – 2·107 ГПа, белых карликов – 109–1011 ГПа (по теоретич. оценкам).
С увеличением давления изменяются механич., электрич. и магнитные свойства веществ, взаимная растворимость контактирующих компонент и фаз, происходят фазовые переходы. Большинство жидкостей затвердевает при комнатной темп-ре и Д. в. до 3–6 ГПа. При изотермич. сжатии твёрдое тело может перейти из парамагнитного в ферромагнитное состояние, диэлектрик или полупроводник может стать проводником. Напр., молекулярный кристалл водорода становится металлом при давлении ок. 350 ГПа. По теоретич. оценкам, при давлениях ок. 400 ГПа металлич. фаза водорода становится атомным кристаллом.
При достаточно сильном повышении давления путём сжатия без существенного повышения темп-ры происходят полиморфные превращения с образованием более плотных кристаллич. модификаций. Фазы, область термодинамич. устойчивости которых соответствует Д. в., называют фазами высоких давлений. Примеры таких фаз – коэсит и стишовит – кристаллич. модификации кремнезёма (SiO2), существуют как метастабильные фазы и в нормальных условиях, в которых стабильная фаза SiO2 – кристаллич. кварц. Плотности кварца, коэсита и стишовита в нормальных условиях равны соответственно 2,65; 3,1 и 4,3 г/см3. Др. пример фазы Д. в. – алмаз (кристаллич. модификация углерода). В нормальных условиях он сохраняется как метастабильная фаза, не переходя в устойчивую фазу – графит.
Решётки молекулярных кристаллов, имеющих относительно рыхлые (ажурные) структуры (кристаллы кварца, льда), при сильном статич. сжатии без нагревания теряют механич. устойчивость и, не переходя в новую равновесную фазу, разрушаются – аморфизуются. При комнатной темп-ре аморфизация кварца начинается примерно при 25 ГПа и заканчивается примерно при 30 ГПа.
Теоретич. расчёты термодинамич. и др. свойств жидкостей и твёрдых тел при Д. в. выполняются на основе классич. и квантовой механики, как правило, с использованием ряда упрощающих приближений и моделей и нуждаются в эксперим. проверке. Исключение составляют сверхвысокие сжатия огромными давлениями, при которых для электронных оболочек уже нет достаточного объёма и они разрушаются, а электроны образуют вырожденный идеальный ферми-газ, свойства которого, в т. ч. и уравнение состояния, известны. По мере изотермич. сжатия такого газа давление возрастает пропорционально плотности в степени 5/3. Соответствующие давления чрезвычайно велики. Их нижняя граница $p^*$ для элемента с атомным номером $Z$ по порядку величины удовлетворяет соотношению: $p^* \approx10^4Z^2$ ГПа.
Статические методы
создания в лабораторных условиях Д. в. основаны на нагревании образца, заключённого в прочную жёсткую оболочку, или на гидростатич. сжатии образца внешними силами в прессах спец. конструкций с сохранением всей или почти всей его массы. В механич. методах используют насосы и компрессоры (гидравлические и газовые), позволяющие достигать значений давления до 1–1,5 ГПа. В установках типа «цилиндр – поршень» (рис., а), применяемых для сжатия газов, жидкостей и твёрдых тел, величина Д. в. ограничена прочностью поршней на сжатие. При использовании для их изготовления твёрдых сплавов максимально достижимые давления составляют 5–6 ГПа. Прочность конструкций повышают, напр., искривляя профиль деталей камеры (рис., б) или разделяя стенки камеры на сегменты для того, чтобы не было круговых растягивающих напряжений (т. н. многопуансонные аппараты; рис., в). В многоступенчатых аппаратах камера Д. в. помещается внутри большего сосуда с меньшим давлением, при этом достигается бóльшая прочность деталей. Использование природных или синтетич. алмазов в аппаратах Д. в. позволило достигать давлений ок. 100 ГПа. Однако в технике статич. экспериментов повышение Д. в. связано с уменьшением объёма рабочей камеры. Так, объём алмазных камер уменьшают до десятых или сотых долей мм3. Др. недостатком статич. методов является ограниченность области допустимых высоких темп-р, при которых детали установок не испаряются, не плавятся и не теряют прочности. Низкотемпературные исследования выполняют с использованием криогенной техники, а исследования в интервале темп-р от –196 °C до 400 °C – в термостатах. Темп-ры до 1500–3000 °C в стационарном режиме получают с помощью электрич. нагревателей, помещённых внутри камеры. Нагревание образцов через прозрачные алмазные стенки осуществляют лазерным излучением. Для мн. науч. и практич. целей фазу вещества, полученную при Д. в., нужно сохранять в нормальных условиях, однако, как правило, при снижении давления происходит обратный переход. Иногда всё же удаётся сохранить фазу Д. в. в метастабильном состоянии, для этого снижают сначала темп-ру сжатого вещества, а затем давление.
Динамические методы
В кратковременных процессах взрывного типа (взрыв конденсированного ВВ – тротила, гексогена и др., столкновение тел при большой скорости относительного движения и др.) образуются сильные ударные волны, сжимающие и нагревающие вещество, по которому они распространяются. Соответственно в нём развиваются Д. в., которые в отличие от статических Д. в. называют динамическими. При детонации конденсированных ВВ возникают ударные волны с давлением до нескольких десятков ГПа. Такие волны переходят затем в исследуемое вещество, контактирующее с ВВ. С помощью кумулятивных зарядов достигают давлений порядка сотен ГПа. Образцы, помещённые в ближней зоне подземного ядерного взрыва, подвергаются давлениям ок. 4–5 ТПа. Для получения динамических Д. в. используются также спец. газовые и др. одноступенчатые и двухступенчатые пушки, которые разгоняют снаряды – пластины, ударяющие затем по преграде из исследуемого вещества. Относит. скорость столкновения пластины и мишени достигает в двухступенчатых пушках 10 км/с; давления, развиваемые при ударе, составляют от нескольких десятков до 100 ГПа.
Три уравнения, выражающие законы сохранения массы, импульса и энергии в ударной волне, связывают пять величин – скорость ударной волны $D$, давление $p$, плотность вещества $\rho$, скорость его движения $u$ и внутр. энергию $\varepsilon$ за ударно-волновым разрывом. Измерив скорости $D$ и $u$ и зная состояние вещества перед волной, можно вычислить $p$ и $\varepsilon$ как функции от $\rho$ (см. Ударная волна), т. е. получить данные об уравнении состояния.
Результат динамич. сжатия вещества зависит от времени сжатия. Если время $\tau$ удержания вещества при динамическом Д. в. больше времени установления термодинамич. равновесия $\tau_p$ в сжатом веществе, то его воздействие во многих случаях даёт такие же (или близкие) результаты, что и действие на это вещество статич. давлений при одинаковых конечных плотности и темп-ре. Если же $\tau \lt\tau_p$, то вещество при динамич. действии Д. в. либо сохраняет свою исходную структуру, либо находится в неравновесном состоянии и имеет соответственно др. свойства по сравнению с результатом статич. сжатия.
Существуют два осн. кинетич. механизма перестройки кристаллич. структуры вещества – т. н. диффузионный механизм (с активацией отд. атомных частиц и преодолением активационных барьеров каждым атомом или молекулой индивидуально) и мартенситный (характеризующийся кооперативной, когерентной перестройкой кристаллич. решётки). Если мартенситный переход геометрически возможен, то его время достаточно малó. Полиморфные превращения, наблюдаемые при статическом и ударном сжатии мн. металлов (напр., железа, висмута, натрия, калия), а также германия и некоторых соединений, имеют, как правило, мартенситную природу. Диффузионный механизм при сравнительно низких темп-рах кинетически запрещён как при динамических, так и при статических Д. в. (требует практически бесконечного времени), но при высоких темп-рах он может быть достаточно быстрым. Пример – плавление в ударной волне.
Темп-ра при сжатии в ударной волне возрастает быстрее, чем при адиабатич. сжатии. Однако разгрузка (снятие Д. в.) происходит адиабатически, и вещество после разгрузки имеет повышенную темп-ру по сравнению с исходным состоянием до ударного сжатия. Возвращение к нормальной темп-ре после снятия давления происходит при медленном остывании образца в окружающей среде. Это способствует возвращению к исходному равновесному состоянию (отжиг). Тем не менее образовавшиеся при динамич. нагрузках (в ударной волне) кристаллич. и аморфные структуры после снятия давления нередко сохраняются сколь угодно долго в метастабильных состояниях. Многообразие начальных состояний вещества, интенсивностей ударных волн, возможность вариаций длительности фаз сжатия и разгрузки используются при динамич. нагрузках для получения известных и новых модификаций с уникальными физико-химич. и механич. свойствами. Уникальность свойств метастабильных веществ, получаемых при динамических Д. в., обусловлена тем, что действие динамич. нагрузки не эквивалентно медленному сжатию и нагреву: важна кинетика процессов при нагрузке и разгрузке. Напр., в ударной волне возможен процесс полимеризации и в том случае, когда в отсутствии динамич. сжатия при тех же $p$ и $T$ она не происходит.
Особенности процесса изменения свойств вещества и их исследования при воздействии динамических Д. в. заключаются в том, что определённые значения давления $p$ и темп-ры $T$ наблюдаются только лишь на отд. линии – на ударной адиабате $p(T)$. Для распространения этих данных на всё поле $p$, $T$ привлекают теоретич. расчёты, исходя из уравнения состояния, содержащего неопределённые параметры, которые затем вычисляют, используя данные ударной адиабаты.
История развития физики высоких давлений
Начало систематич. эксперим. исследований твёрдых тел при Д. в. было положено работами П. У. Бриджмена в 1920-х гг. Разработанные им методы позволили исследовать свойства веществ при статич. давлениях в несколько ГПа. Стимулом для дальнейших исследований явились развитие физики твёрдого тела и необходимость получения данных для теории внутр. строения Земли. В 1940–50-х гг., когда были разработаны методы получения и диагностики ударных волн и методы высокоточных измерений скорости $u$, ударные волны стали важнейшим, часто незаменимым средством эксперим. исследования веществ в экстремальных условиях. Диапазон Д. в. с надёжными, имеющими высокую точность количественными данными об уравнениях состояния увеличился примерно на два порядка, что создало условия для мощного скачка в изучении физич. и химич. свойств вещества и создания новой области науки – физики высоких давлений. Были получены широкодиапазонные уравнения состояния мн. химич. элементов и соединений – металлов, сплавов, минералов, горных пород, полимеров, воды и др. жидкостей. Полученные данные нашли широкое применение в науке о Земле и др. планетах Солнечной системы.
Применения высоких давлений
Во 2-й пол. 20 в. с помощью статических Д. в. получены важные науч. результаты, многие из которых нашли широкое практич. применение: синтезированы алмаз (в Ин-те физики высоких давлений АН СССР под рук. Л. Ф. Верещагина, 1960) и алмазоподобные модификации нитрида бора (боразон, $p \geq5$ ГПа и $T \geq 1350$ °C), получены плотные кристаллич. модификации важных породообразующих минералов (кремнезёма, оливина), зафиксирован переход диэлектриков в проводящее и сверхпроводящее состояния, установлены диаграммы состояний для многих одно- и многокомпонентных систем. Д. в. используются при механич. обработке металлов и при полимеризации. Под воздействием динамических Д. в. (в детонационной ударной волне) получены алмаз, боразон, а также тугоплавкий сплав W и Mn, который др. методами получить не удаётся. Статические и динамические Д. в. широко применяются в науке и технике для исследования веществ, изменения их свойств в нужном направлении и разработки новых наукоёмких технологич. процессов. В частности, статич. и динамич. прессованием порошков получают новые материалы; детонационные и ударные волны используются для упрочнения машиностроительных деталей, резки и сварки металлов, прессования порошков и др. Успешно развивается новый раздел химии – механохимия с химич. твердофазными превращениями под действием деформаций сжатия и сдвига.