О Центре / Исследования

Фундаментальное изучение материалов

Пластическое деформирования и разрушение материалов в условиях ударно-волнового нагружения

Процессы разрушения материалов под действием импульсных нагрузок имеют большое значение при создании ударостойких материалов и покрытий, их эксплуатации, развитии технологий обработки материалов с применением импульсных лазеров, пучков частиц, взрыва и др.

Современные экспериментальные методы (воздействие лазерных пучков большой интенсивности на вещество, ударно-волновые эксперименты, субмикросекундные электровзрывы проволочек) дают возможность реализовать очень мощный энерговклад в вещество за короткое время. В результате достигаются метастабильные состояния конденсированных веществ. Такое развитие техники ставит задачи исследования вида фазовой диаграммы в областях сильно метастабильных состояний, кинетики их распада.

Экспериментальные методы диагностики постоянно совершенствуются, но на сегодняшний день прямые данные о механизмах и скорости разрушения в субмикросекундном диапазоне немногочисленны.

Применительно к проблемам разрушения конденсированных сред метод молекулярной динамики предоставляет возможность изучить механизмы и скорости элементарных актов разрушения (зарождение, рост несплошностей) при высокоскоростном растяжении. Важным является вопрос о вкладе дефектов кристаллической решетки в кинетику разрушения, величину прочности на разрыв при различных скоростях деформирования и температурах.

Моделирование откола
Зарождение и рост несплошностей

При этом целесообразно дополнить результаты атомистического моделирования многомасштабными подходами, обеспечивающими возможность выйти за рамки временных и пространственных масштабов, доступных прямому атомистическому моделированию. Суть этой идеологии заключается в том, что строится иерархия моделей от атомистического к мезо и далее к макромасштабам (как по времени, так и по пространству). При этом каждая последующая модель использует данные, полученные с помощью предыдущей, как исходные.

Многомасштабный подход в теории и моделировании

Для описания процесса разрушения процесса разрушения на мезо- и макромасштабе полученные результаты объединяются в кинетическую модель разрушения материала, например модель нуклеации и роста (NAG).

Откольная прочность алюминия
Откольная прочность гексана

Подобный многомасштабный подход используется для описания пластической деформации материалов при высокоскоростном деформировании. С помощью метода молекулярной динамики рассчитываются скорости зарождения и движения одиночной дислокации, взаимодействие дислокации с точечными дефектами и включениями.

Движение дислокации под действием сдвиговых напряжений

Результаты атомистического моделирования используются как входные параметры для расчета поведения ансамбля дислокаций. При этом на выходе получается скорость пластического деформирования в зависимости от приложенной нагрузки и начальной микроструктуры, которая используется в качестве определяющих соотношений для моделирования методами механики сплошной среды. С помощью такого подхода проведено моделирование ударно-волнового нагружения монокристалла алюминия и получено хорошее согласие с экспериментом.

Коэффициент фононного трения
Сравнение профилей задней поверхности (монокристалл алюминия)

Многомасштабные подходы для моделирования радиационного старения материалов

Данные о стойкости материалов по отношению к интенсивным радиационным воздействиям очень важны для проектирования ядерных и термоядерных реакторов, а также приборов и конструкционных материалов, подверженных облучению.

Макромасштабные подходы к описанию старения ядерных и конструкционных материалов под действием интенсивных потоков нейтронов и ионов, позволяющие рассматривать материалы на реальных временах, в том или ином виде требуют знания о кинетике элементарных процессов на микроуровне. Далеко не все кинетические характеристики могут быть извлечены из накопленных экспериментальных данных, причем это относится не только к значениям отдельных величин, но и к качественным зависимостям. Поэтому является актуальным развитие кинетических моделей старения ядерных и конструкционных материалов на основе методов молекулярной динамики и функционала электронной плотности.

Развитие моделей столкновительных каскадов представляет интерес для определения остаточной доли дефектов, размеров кластеров дефектов, возникающих при схлопывании каскада.

Образование дефектов в треке иона
Распухание материалов

Эволюция дефектов после релаксации каскада связана с их диффузией и кластеризацией. В ряде материалов (например, Мо) диффузия междоузельных атомов, их кластеров, вакансионных кластеров является существенно одномерной в большом интервале температур.

Траектория междоузельных атомов при разных температурах
Образование суперрешетки

Одномерная диффузия является существенной при расчете скоростей кластеризации дефектов, рекомбинации, силы таких стоков, как полости, и дислокации. Более того, такое поведение рассматривается как основная причина формирования сверхрешеток из пор и пузырей, также сопутствующего им насыщения распухания материала.

Методом молекулярной динамики исследуется рекомбинация и кластеризация точечных дефектов. Получены характерные значения радиуса взаимодействия двух междоузлий, вакансии и междоузлия, рассчитаны зависимости констант скоростей от температуры.

Коэффициенты диффузии МУ, вакансий и самодиффузии
Кластеризация междоузельных атомов
Образование полостей и включений при радиационном воздействии приводит к охрупчиванию материала вследствие упрочнения за счет взаимодействия дислокаций и дефектов. Исследуются поля напряжений и деформаций при взаимодействии дислокаций с полостями и преципитатами, проводятся оценки критических напряжений, необходимых для преодоления этих препятствий для движения дислокаций. Оценки, полученные в таких расчетах, могут быть использованы в моделях динамики дислокаций либо в кодах механики сплошной среды с учетом дислокационной подсистемы для описания пластической деформации.


Деградация и разрушение полимеров

Деградация и разрушение полимеров возникают в результате обработки, когда полимеры подвергаются нагреву, воздействию кислорода и механических напряжений, а также в течение эксплуатации материалов, когда кислород и солнечный свет является наиболее сильными факторами, приводящими к деградации. В более специальных приложениях, деградация может быть вызвана воздействием высокоэнергетичной радиацией, озоном, загрязнителями окружающей среды, механическими и биологическими воздействиями, гидролизом и т.д. Понимание механизмов протекающих реакций необходимо для развития технологии создания и применения полимеров.

С другой стороны в современных технологиях полимеров деградация используется в приложении. Например, появились фотодеградирующие пластики, вторичная переработка полимерных продуктов становиться все более важной, исследование деградации и горения включено в определение опасности возгорания, которая связана с полимерными материалами, микроэлектронная индустрия существенно зависит от разрушения полимеров в процессе цикла их создания. Свойства полимеров могут быть также улучшены с помощью обработки отверждением и сращиванием, химии, связанной с процессами физической старения.

Моделирование термического старения полимеров, а именно уменьшение средней длины цепи, проводится с помощью кинетических уравнений, описывающих эволюцию длины радикальных и нерадикальных цепочек в полимерах. Наиболее простая модель основана на уравнении Аррениуса, в которую включена характерная энергия активации. Более сложная модель основана на модели случайного разрыва. Такой подход предполагает, что реакция радикальной деполимеризации является лимитирующем. Существуют модели, включающие в себя несколько этапов процесса деполимеризации: инициация, размножение и обрыв.

С помощью квантовых расчетов на основе метода функционала плотности (DFT) исследуются структура полимеров, элементарные процессы деградации.

Окисление гидроксил-радикалом

В процессе эксплуатации топливных элементах происходит образование перекиси, а затем и гидроксил-радикалов, которые приводят к деградации мембраны. С помощью DFT расчетов исследуется путь реакции взаимодействие мономеров с гидроксил-радикалами, определяются энергетические барьеры.

Ключевым процессом окисление полипропилена является меж- и внутримолекулярный перенос водорода в радикалах. С помощью квантовых расчетов исследуется механизм и энергетический барьер для переноса водорода.

Внутримолекулярный перенос водорода

Методом классической молекулярной динамики исследуются структура полимеров, отклик при механическом воздействии, например растяжение или ударно-волновое нагружение.

Полимер оксида пропилена

Диффузия изотопов водорода и гелия в металлах

Изучение поведения водорода и гелия в металлах и гидридах представляется важным для их практического использования в нейтронных источниках, для хранения водорода и в качестве конструкционных материалов, подверженных воздействию потокам ионов. Актуальными являются проблемы удержания гелия и водорода в объеме материала, снижение эффектов гидридного растрескивания и разрушения поверхности под действием ионов. В ЦФПИ исследуется как взаимодействие ионов с материалами (структура и число возникающих при этом дефектов), так и влияние радиационных дефектов решетки и примесей на механизм и скорость диффузии изотопов.

Рассмотрение основывается на методах атомистического моделирования: классической молекулярной динамике (МД) и теории функционала электронной плотности. В классической МД межчастичные взаимодействия описываются с помощью потенциалов погруженного атома. Проводится разработка потенциалов на основе данных квантово-механических расчетов, c учетом уравнения состояния и упругих свойств, стабильности основных фаз материала, энергий образования и структуры дефектов в них.

С помощью квантово-механических расчетов определены энергии внедрения H и He в различные положения в кристаллических решетках ГПУ, ОЦК и ГЦК фаз титана. На основе этих данных проведен расчет величины энергетических барьеров миграции. Разработанные для МД моделирования Ti потенциалы описывают энергетическую поверхность для миграции атомов в соответствии с расчетами из первых принципов. Они позволяют с помощью прямого МД моделирования рассчитать коэффициенты диффузии изотопов в титане и гидриде титана.

Рассчитанные частоты колебаний водорода в различных положениях использованы для идентификации линий в спектре колебаний, полученном методом неупругого рассеяния нейтронов. Учитывая эти спектры, можно определить, какие положения занимают изотопы водорода в кристаллической решетке.

Рассматривается влияние радиационных дефектов на энергию связи водорода и гелия в решетке, на их диффузию. Структура радиационных дефектов в системе титан - водород получалась из молекулярно-динамического моделирования столкновительных каскадов, возникающих при облучении титана ионами.


Лазерное инициирование энергетических материалов и фемтохимия

Символом окончательного сближения химии и физики в результате их развития в XX веке является Нобелевская премия по химии 1999 года, присужденная Ахмеду Зевайлу (Ahmed Zewail) «за исследование переходных состояний, возникающих во время химических реакций, с использованием фемтосекундной техники». Развитие экспериментальных методов лазерной диагностики позволило перейти от кинетического описания химических реакций к описанию их динамики, т.е. к описанию движения отдельных атомов при формировании переходного состояния и его распаде.

Схема управления реакцией за счет неадиабатических переходов, осуществляемых в определенные моменты времени [1]

Описание подобных процессов, протекающих на временах порядка 10-13 с, является предметом фемтохимии – направления, демонстрирующего взрывное развитие в последние десятилетия [1]. Стимулом для исследований в данной области является возможность немыслимого ранее контроля динамики химических реакций (см. рис.1), что открывает множество возможностей для использования в различных прикладных областях. Так, например, изменение развертки лазерных импульсов фемтосекудной длительности позволяет управлять изменением конформации молекул и активировать выделенные каналы их диссоциации [2].

Теоретическое описание фемтохимических процессов основано на молекулярно-динамическом моделировании с использованием всего арсенала методов квантовой химии и возможностей суперкомпьютерных вычислений. Исследование молекулярной динамики элементарных актов химических реакций открывает множество вопросов: от возникновения необратимости [3] до прецизионных расчетов поверхностей потенциальной энергии возбужденных состояний (рис.2). Большую сложность представляет собой задача описания неадиабатических переходов при релаксации возбужденных состояний [4]. Потребность выхода за рамки обычного адиабатического приближения для решения уравнения Шредингера многоатомной и многоэлектронной системы обуславливает необходимость выработки новых подходов для неадиабатической молекулярной динамики (см., например, [5]).

Схематическое представление поверхностей потенциальной энергии возбужденного (S1, показано красным) и основного (S0, показано зеленым) состояний хромофора в пространстве двух степеней свободы: параметра цис-транс изомеризации и степени деформации остова хромофора. Безызлучательный распад происходит на коническом пересечении S1 и S0 (CI, пунктирная белая линия) [4].

Одним из важных прикладным направлений, развивающимся в ЦФПИ, является резонансное фотоинициирование энергетических материалов. На заре развития лазерной техники учеными ВНИИА были выполнены пионерские исследования возможностей термического лазерного инициирования детонации [6]. Резонансное лазерное инициирование имеет перспективы широкого применения благодаря тому, что такой тип инициирования является энергетически наименее затратным по отношению к другим видам инициирования (электрический разряд, механический удар) и характеризуется большей надежностью. Теоретическое описание фемтохимии резонансного лазерного инициирования связано с описанием молекулярной динамики фотовозбужденных молекул взрывчатого вещества с учетом неадиабатических переходов. Существенную трудность представляет описание фемтохимических процессов в конденсированной фазе с учетом особенностей структуры реальных взрывчатых веществ. Необходимо отметить, что к настоящему времени получено еще достаточно мало надежных экспериментальных результатов по резонансному фотоинициированию детонации.

Только недавно российскими учеными была продемонстрирована возможностью резонансного лазерного инициирования ТЭНа [7,8]. Пентаэритриттетранитрат (ТЭН) одно из самых мощных и бризантных взрывчатых веществ (рис.3). Однако теоретическое описание полученных экспериментальных данных представляет собой в настоящее время несколько гипотез (рис.4), проверка которых должна быть закончена в ближайшее время.

Молекула ТЭНа в первом возбужденном синглетном состоянии. Изменения электронной структуры локализованы на нитрогруппах (нижняя SOMO орбиталь показана синим, верхняя – оранжевым).
Схематическая иллюстрация возможного механизма резонансного фотовозбуждения молекулы ТЭНа лазерным излучением на длине волны 1060 нм и последующей декомпозиции в возбужденном состоянии с барьером реакции 0.4 эВ (см. [8]).

Взаимодействие ультракоротких лазерных импульсов умеренной интенсивности с веществом

Во ВНИИА ведутся работы по созданию физических моделей и численных кодов для моделирования процессов, происходящих при воздействии ультракоротких лазерных импульсов умеренной интенсивности на диэлектрики, полупроводники и металлы. Эти модели включают описания поглощения жесткой радиации, кинетику ионизации электронов из внутренних оболочек, термализацию свободных электронов, передачу энергии ионной подсистеме, процессы рекомбинации вместе с реальным уравнением термодинамического состояния материала и гидродинамикой.

Интерес представляет также исследование кинетики пластических трансформаций на коротких пространственно-временных масштабах и упрочнение материалов за счет создания тонких слоев регулируемой толщины на поверхности обрабатываемой детали.

Потенциальные практические приложения - для создания требуемых поверхностных нано-структур, изготовления элементов метаоптики, поцедуры напыления тонких пленок, приготовления ысокодисперсных порошков и эмульсий, обработки платины, никеля и др., приводящей к усилению каталитических свойств поверхности и ряда других приложений.

Абляция при умеренных интенсивностях

Абляция изделий ультракороткими лазерными импульсами при умеренных интенсивностях ~1012-15 Вт/см2 представляет огромный интерес и по физике происходящих здесь процессов, и для технологических приложений.

Абляция ультракороткими лазерными импульсами оказывается весьма специфичной. Если при воздействии длинного лазерного импульса с длительностью порядка наносекунды абляция является испарительной, то в случае ультракороткого воздействия главными оказываются механические эффекты.

Поскольку механические явления при ультракоротком воздействии инициируются лазерным нагревом, теплом, то говорят о термо-механической абляции.

Процесс термомеханической абляции аналогичен отколу, который хорошо изучен в экспериментах с ударником. В таких экспериментах используют налетающий ударник – тонкий слой, ускоренный до скоростей порядка 0.1-1 км/с продуктами детонации химических взрывчатых веществ. Такой ударник сталкивается с неподвижным плоским слоем. Назовем фронтальной границу плоского неподвижного слоя, на которую налетает ударник. Пусть тыльная граница – это граница обратная фронтальной границе. В результате удара от тыльной стороны отрывается откольный слой.

В лазерных экспериментах, во-первых, откол происходит на фронтальной поверхности. Во-вторых, толщина откольного слоя чрезвычайно мала.

Толщина откольного слоя оказывается порядка толщины скин-слоя. Такой эффект никогда ранее не наблюдался при воздействиях с помощью ударников. В металлах толщина скина при облучении оптическим излучением составляет порядка 10-20 нм. На этой глубине, как известно, происходит затухание оптического излучения. Таким образом, лазерный откол с помощью ультракороткого импульса с полным правом можно называть наноотколом.

Благодаря ультрамалой толщине откольной пластины, она пропускает свет. С этим связано происхождения интерференционных колец Ньютона, которые наблюдаются в опытах с ультракороткими импульсами.

На рисунке показаны кольца Ньютона, которые были обнаружены в опытах.

Кольца Ньютона в фокальном пятне ультракороткого лазерного импульса. K.~Sokolowski-Tinten et al., Phys. Rev. Lett. (1998)
Нано-профилирование

Из теоретического анализа воздействия ультракоротких лазерных импульсов и численного моделирования следует, что вследствие воздействия формируются остаточные деформации облученной поверхности мишени. Соответствующий рельеф имеет пространственный масштаб порядка глубины прогрева поверхностного слоя. Толщина прогретого слоя в зависимости от вещества порядка 10-100 нанометров (1 нм = 10-7 см).

Пример расчета показан на рисунке. Расчет иллюстрирует, каким образом протекает сложный процесс формирования откольного слоя.

Процесс формирования нанорельефа. Время отсчитывается от момента достижения максимума интенсивности ультракороткого лазерного импульса, tL = 100 фс. Слева – ситуация вскоре после начала множественной нуклеации, в центре – развитие кавитационного ансамбля пузырй, поглощение мелких пузырьков и расширение крупных пузырьков. Слияния соседних крупных пузырьков с образованием полости, вытянутой вдоль поверхности мишени. Справа – отрыв откольного слоя. Материал – алюминий.

Список публикаций

Работы сотрудников ЦФПИ по тематике пластического деформирования и разрушения материалов

1. Норман Г.Э., Янилкин А.В. Гомогенное зарождение дислокаций // Физика твердого тела 2011, Т. 53, Вып. 8, С.1536-1541.

2. Pisarev V.V., Kuksin A.Yu., Norman G.E., Stegailov V.V., Yanilkin A.V. Theory and molecular dynamics modeling of spall fracture in liquids // Phys. Rev. B 2010. V. 82. P. 174101-1-10.

3. Жиляев П.А., Янилкин А.В. Ab initio и классическое моделирование образования дефектов в сапфире. // Деформация и разрушение материалов 2011, №6, C. 12-17.

4. Янилкин А.В., Жиляев П.А., Куксин А.Ю., Норман Г.Э., Писарев В.В., Стегайлов В.В. Применение суперкомпьютеров для молекулярно-динамического моделирования процессов в конденсированных средах// Вычислительные методы и программирование. 2010. Т. 11. С. 111-116.

5. Куксин А.Ю., Норман Г.Э., Писарев В.В., Стегайлов В.В., Янилкин А.В.Кинетическая модель разрушения простых жидкостей // Теплофизика Высоких Температур. 2010. Т. 48. N. 4. С. 536-543.

6. Kuksin A., Norman G., Stegailov V., Yanilkin A., Zhilyaev P. Dynamic fracture kinetics, influence of temperature and microstructure in the atomistic model of aluminum // International Journal of Fracture. 2010. V. 162. Issue. 1. P. 127-136. DOI 10.1007/s10704-009-9424-6.

7. Красников В.С., Куксин А.Ю., Майер А.Е., Янилкин А.В. Пластическая деформация при высокоскоростном нагружении алюминия. Многомасштабный подход // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 7. C. 1295-1304.

8. Жиляев П.А., Куксин А.Ю., Стегайлов В.В., Янилкин А.В. Влияние пластической деформации на разрушение монокристалла алюминия при ударно-волновом нагружении // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 8. C. 1508-1512.

9. Kuksin A.Yu., Norman G.E., Stegailov V.V., Yanilkin A.V. Molecular Simulation as a Scientific Base of Nanotechnologies in Power Engineering // Journal of Engineering Thermophysics. 2009. V. 18. No. 3. P. 197–226.

10. Куксин А.Ю., Стегайлов В.В., Янилкин А.В. Атомистическое моделирование пластичности и разрушения нанокристаллической меди при высокоскоростном растяжении // ФТТ. 2008. Т.50. Вып. 11.C.1984-1990.

11. Куксин А.Ю., Стегайлов В.В., Янилкин А.В. Молекулярно-динамическое моделирование динамики краевой дислокации в алюминии // Доклады академии наук. 2008. Т. 420. № 4. C. 467-471.

12. Норман Г.Э., Стегайлов В.В., Янилкин А.В. Моделирование высокоскоростного растяжения кристаллического железа методом молекулярной динамики // Теплофизика Высоких Температур 2007. Т. 45. №. 2. С.193-202.

13. Стегайлов В.В., Янилкин А.В. Структурные превращения в монокристаллическом железе при ударно-волновом сжатии и растяжении. Исследование методом молекулярной динамики // ЖЭТФ 2007. Т.131. Вып. 6. С. 1064-1072.

14. Куксин А.Ю., Янилкин А.В. Кинетическая модель разрушения при высокоскоростном растяжении на примере кристаллического алюминия // ДАН. Т. 413. № 5. С. 615-619. 2007.

15. A.Yu. Kuksin, G.E. Norman, V.V. Stegailov, A.V. Yanilkin Surface melting of superheated crystals. Atomistic simulation study // Computer Physics Communications. 2007. V. 177, issues 1-2. P. 34-37.

16. A.Yu. Kuksin, G.E. Norman, V.V. Stegailov, A.V. Yanilkin. Atomistic simulations of structure transitions and fracture in Fe and Al single crystals // Comp. Phys. Comm. 2007. V. 177, issues 1-2. P. 48.

17. Норман Г.Э., Стегайлов В.В., Янилкин А.В. Разрушение кристаллического железа при высокоскоростном растяжении // Доклады Академии Наук 2005. Т. 404. №. 6. С.757-761.

Работы сотрудников ЦФПИ по тематике моделирования радиационного старения материалов

1. A. Yanilkin, Z. Insepov, G. Norman, J. Rest, V. Stegailov Atomistic simulation of clustering and annihilation of point defects in Molybdenum // Defect and Diffusion Forum 2012.

2. Z. Insepov, J. Rest, A. Yacout A. Yu. Kuksin, G. E. Norman, V. V. Stegailov, S. V. Starikov, A. V. Yanilkin. Derivation of kinetic coefficients by atomistic methods for studying defect behavior in Mo // Journal of Nuclear Materials. 2011, DOI:10.1016/j.jnucmat.2011.08.019.

3. Starikov S. V., Insepov Z., Rest J., Kuksin A. Yu., Norman G. E., Stegailov V. V., Yanilkin A. V. Radiation induced damage and evolution of defects in Mo // Phys. Rev. B. 2011. V.84, No.10., p. 104109. DOI: 10.1103/PhysRevB.84.104109.

4. Z. Insepov, J. Rest. G. L. Hofman, A. Yacout, A. Yu. Kuksin, G. E. Norman, S. V. Starikov, V. V. Stegailov, A. V. Yanilkin A New Multiscale Approach to Nuclear Fuel Simulations: Atomistic Validation of the Kinetic Method // Trans. Am. Nucl. Soc. San Diego, CA. 2010. V. 102.

Работы сотрудников ЦФПИ по тематике лазерного инициирования энергетических материалов и фемтохимии

[1] Саркисов О.М., Уманский С.Я. Фемтохимия // Успехи химии. – 2001. –Т.70. N.6. – С.515.

[2] Brif C. et al. Control of quantum phenomena: past, present and future // New Journal of Physics. – 2010. – V.12. – P.075008.

[3] Норман Г.Э., Стегайлов В.В. О микроскопическом происхождении необратимости химических реакций: модель необратимого динамического пути химической реакции // Рос. хим. журнал (Журнал рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева). – 2001. – Т. XLV. N. 1. – С. 9-11.

[4] Schafer L.V. et al. Chromophore protonation state controls photoswitching of the fluoroprotein asFP595 // PLoS Comput. Biol. – 2007. –V.4. – P.e1000034.

[5] Matsika S., Krause P. Nonadiabatic events and conical intersections // Annu. Rev. Phys. Chem. – 2011. –V.62. – P.621.

[6] Бриш А.А. и др. О механизме инициирования конденсированных ВВ излучением ОКГ // Физика Горения и Взрыва. – 1969. – Т.5. №4. – С. 475.

[7] Алукер Е.Д. и др. Лазерное инициирование ТЭНа в режиме резонансного фотоинициирования // Химическая физика. – 2011. – Т.30. N.1. – С.48-55.

[8] Aluker E.D. et al. Laser initiation of energetic materials: selective photoinitiation regime in pentaerythritol tetranitrate // J. Phys. Chem. – 2011. – V.115.- P.6893.