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.

-oriented 10.12 nm × 10.12 nm × 1000 nm single crystal (SC) Al system with 6.25 × 106 atoms and scaling factor of 1/20 of the experiment is created and ramp-compressed in the Z direction. Moving pistons are set initially at the lower Z boundary and move up with linearly increasing velocity up to 6 km/s in 500 ps. Periodic boundary conditions are applied along the transverse directions. A momentum mirror that reflects the momentum of any atom that comes in contact with it, is applied at the higher Z boundary. Other SC setups with different scaling factors (i.e., structure dimension and loading acceleration rate) are compared in detail in the Supplementary Materials. A texturized (< 001 > -oriented) nanocrystal (NC) structure is also generated via Voronoi tessellation28. In order to allow dislocations to pile up and interact with each other in the nanograins, the average grain size is set to be 15 nm, and subsequently, the NC structure dimension is set at 30.37 nm × 30.37 nm × 100 nm with a total atom count of 5.6 × 106. Thus, the acceleration duration is set at 50 picoseconds (ps) to fulfill a scaling factor of 1/200 for both time and length. The plasticity contributor in texturized NC Al is discussed in “Plasticity contributor in texturized nanocrystalline Al” of this manuscript./p>

fcc-oriented texturized NC Al structure with similar setups to SC structures. Thus, The lateral dimensions of the texturized NC Al are three times larger than the SC to accommodate grains of the size of 15 nm./p>

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