램프 압축 시 알루미늄의 상 변환 경로; 시뮬레이션 및 실험 연구
Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18954(2022) 이 기사 인용
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우리는 램프 압축 하중 하에서 알루미늄의 상 변환 현상을 재현하기 위해 비평형 분자 역학(NEMD)을 기반으로 하는 프레임워크를 제시합니다. 시뮬레이션된 응력-밀도 반응, 가상 X선 회절 패턴 및 구조 분석은 이전에 관찰된 실험적 레이저 구동 램프 압축 현장 X선 회절 데이터와 비교됩니다. NEMD 시뮬레이션은 고체-고체 상 전이가 밀집된 면심 입방체(fcc)(111), 육각형 밀집된(hcp) 구조(002) 및 체심 입방체 bcc( 110) 평면은 평행하게 유지됩니다. NEMD 시뮬레이션의 원자 수준 분석은 베인 변환을 통해 발생하는 정확한 상 변환 경로를 식별하는 반면, 이전 현장 X선 회절 데이터는 정확한 상 변환 경로를 추론하기 위한 충분한 정보를 제공하지 못했습니다.
실험 기술의 발전으로 고압 하에서 고체상 안정성과 고체-고체 상 변형에 대한 이해가 크게 향상되었습니다. 현장 XRD(X-Ray Diffraction)4,5와 결합된 가스 건1, 펄스 전력2 및 레이저 드라이버3의 개발은 동적, 고압, 충격 및 준파괴 상태에서 수많은 재료의 구조 및 위상 정보를 공개했습니다. 104~108s−1 범위의 변형률을 갖는 등엔트로피 압축. 현장 XRD는 다양한 압력에서 시료의 Debye-Scherrer 회절 원뿔을 포착하고 이러한 회절 원뿔을 \(2\theta -\phi\) 공간으로 투영할 수 있습니다. 여기서 브래그 각도 \(\theta\)는 각도입니다. X-선 빔과 격자 평면군 사이의 \(\phi\)는 입사 X-선 방향 주위의 방위각입니다. \(2\theta\) 프로파일은 브래그의 법칙6에 따라 평면간 거리를 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 표본 노름과 평면 노름 사이의 각도인 각도 \(\chi\)는 방정식7 \(\mathrm{cos}\left(\chi \right)=\mathrm{cos}\left( \phi \right)/\mathrm{cos}(\theta )\) 및 어떤 평면이 평행하게 유지되는지 추적하여 위상 변환 중 결정학적 질감을 평가하는 데 사용됩니다. 이 기술은 레이저 구동 충격 탄탈륨의 쌍정 및 격자 역학8, 아연 페라이트 나노입자9의 감압 중 고압 상 안정성9, 흑연에서 육각형 다이아몬드로의 상 변환 경로10와 같은 고온/고압 물리학을 이해하는 데 성공적으로 적용되었습니다. .
Polsin et al.11의 최근 연구에서는 현장 XRD를 사용하여 램프 압축 하중 하에서 알루미늄(Al)의 결정 구조를 탐지했습니다. 저자들은 육각형 밀집 구조(hcp) 구조로의 변형과 일치하는 고체-고체 상 전이가 약 216GPa에서 발생하는 반면, 체심 입방체(bcc) 구조와 일치하는 구조로의 변형이 발생한다는 것을 발견했습니다. 320 GPa에서 발생합니다. 현장 XRD의 결과는 밀집된 면심 입방체(fcc)(111), hcp(002) 및 bcc(110) 평면이 고체-고체 fcc-hcp 및 hcp-bcc 변환을 통해 평행을 유지함을 시사했습니다. 그러나 최근 고압 연구11,12,13,14에서 중요하고 흥미로운 주제로 부각되고 있는 동적 압축 시 상 변환의 메커니즘과 경로는 아직 불분명합니다. 실험적으로 이는 레이저 구동 충격/램프 압축 중에 시간 분해 회절 측정이 필요하며 이는 기술적으로 어렵습니다. 그러나 현장 XRD 결정학은 고압 고온 실험에서 정확한 상 변환 경로를 결정하는 데 충분하지 않습니다. 왜냐하면 여러 변환 경로가 잠재적으로 변환 중에 유사한 평행 평면을 생성할 수 있기 때문입니다. 비평형 분자 역학(NEMD)의 도움으로 램프 로딩의 NEMD 시뮬레이션 동안 각 단계에서 구조의 정확한 원자 구성이 원자 수준에서 결정될 수 있습니다. 가상 XRD 프로파일은 쉽게 얻을 수 있으며 시뮬레이션을 검증하기 위해 실험과 직접 비교할 수도 있습니다. 따라서 NEMD 시뮬레이션은 소성 변형 메커니즘과 구조적 상 변환 경로에 대한 기본적인 이해를 제공하고 XRD 프로파일은 실험 검증에 사용됩니다.