Onderzoekers van de nationale laboratoria Lawrence Livermore, Los Alamos en Sandia hebben de handen ineen geslagen om de kracht van tantaal, een belangrijk materiaal voor platformontwikkeling in de tri-lab-gemeenschap, beter te begrijpen.

Het werk bouwt voort op het inzicht dat tantaal in een enkele vaste fase blijft over het volledige scala van onderzochte omstandigheden. Dit omvat voorwaarden die toegankelijk zijn voor de National Ignition Facility op LLNL en de Z-machine op Sandia. Hoewel tantaal nominaal eenvoudig is, vertoont het nog steeds complexiteit in hoe processen op atomaire schaal in het materiaal sterktevariabiliteit vertonen die bijna twee ordes van grootte overspant.

Het onderzoek, dat te zien is in Acta Materialia , gericht op het beantwoorden van twee vragen:geven deze diverse experimenten een samenhangend beeld van kracht? En kunnen onderzoekers, door geïntegreerde analyse van diverse experimenten, het theoretische begrip en de modellering van kracht in extreme omstandigheden verbeteren?

De onderzoekers gebruikten gegevens van zeven verschillende soorten experimenten en vergeleken drie onafhankelijke krachtmodellen om kracht te onderzoeken met een nieuwe mate van kruisvergelijking over een groot aantal omstandigheden. In deze setting verwijst sterkte naar de weerstand van het materiaal tegen permanente vervorming. Dat soort blijvende vervorming wordt vaak besproken in termen van plastische belasting. De snelheid van de vervorming van het materiaal - de snelheid - werd ook onderzocht. De snelheid is omgekeerd evenredig met de tijdsduur van het experiment. De experimenten die de kortste duur hadden, onderzochten de hoogste stamsnelheden. De NIF-experimenten hadden toegang tot de meest extreme omstandigheden en sterktegegevens worden verzameld over slechts tientallen nanoseconden in de NIF-opnamen.

Nathan Barton, programmagroepleider voor fysica van de gecondenseerde materie binnen het Weapons Physics and Design Program bij LLNL en co-auteur van het werk, zei dat het werk consistent is met de grote wetenschappelijke missies van de NNSA-laboratoria.

"Het werk putte kritisch uit inhoudelijke expertise uit alle laboratoria", zei Barton. "We hadden expertise nodig in zowel de gegevensverzameling als de relevante analysetechnieken voor alle experimentele platforms."

De assemblage van het tri-lab-team is voortgekomen uit technische discussies onder leiding van Bruce Remington bij LLNL, Rusty Gray bij LANL en Dawn Flicker van Sandia. Dana Dattelbaum, die toezicht houdt op het relevante programmagebied bij LANL, beschreef het niveau van samenwerking tussen drie laboratoria dat tot dit artikel heeft geleid als ongekend.

Bij traditionele toepassingen hebben onderzoekers de neiging om de sterkte van een materiaal te beschouwen als relatief ongevoelig voor druk en snelheid. Als we kijken naar het extreme bereik van omstandigheden die worden gebruikt op experimentele platforms in de NNSA-onderneming, zien onderzoekers krachtvariaties met bijna twee ordes van grootte:van 0,15 gigapascal (GPa) tot meer dan 10 GPa. Een gigapascal komt overeen met ongeveer 10.000 atmosfeer druk. Als een nuttig vergelijkingspunt kan een hogesterktestaal een sterkte hebben van ongeveer 1 GPa bij omgevingscondities en conventionele snelheden. Dus onder alle onderzochte omstandigheden ging het tantaal van veel zachter naar ongeveer 10 keer sterker dan een hogesterktestaal onder conventionele omstandigheden.

"Het unieke aspect is het niveau van begrip dat we konden krijgen door een uniforme blik te werpen op gegevens van zo'n reeks experimentele platforms", legt Barton uit. "Het werk dat in het artikel wordt beschreven, onderzoekt drukken van omgevingsdruk tot meer dan 350 GPa, reksnelheden van 10 ⁻³ tot 10 ⁸ per seconde en temperaturen van 148 tot 3.800 Kelvin."

De geïntegreerde aanpak hielp onderzoekers om druk- en snelheidseffecten te isoleren. "Hoewel het verheugend is dat we modellen kunnen aanpassen die algemeen worden gebruikt om de waarnemingen vast te leggen, is het duidelijk dat we meer werk te doen hebben om de materiële respons onder zo'n dramatische reeks omstandigheden volledig te begrijpen en te voorspellen," zei Barton.

De tri-lab-activiteit die in de paper wordt beschreven, is aan de gang en blijft een waardevol instrument voor het coördineren van de evaluatie van experimentele gegevens van een verscheidenheid aan experimentele platforms, waaronder vlaggenschip-DOE-faciliteiten zoals de NIF bij LLNL, de Z-machine bij SANDIA en de Dynamic Compression Sector bij de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory. Het tri-lab-team heeft de nadruk verlegd om de sterkte te onderzoeken van materialen die fasetransformaties ondergaan, en een mijlpaal van niveau 2 op dit gebied is zojuist met succes voltooid. Verschillende presentaties op een American Physical Society-conferentie deze zomer zullen aspecten van dit meer recente werk behandelen, en er zullen aanvullende publicaties zijn van het tri-lab-team. + Verder verkennen

Onderzoek wijst op technieken voor het bestuderen van materialen onder extreme omstandigheden