ПЕТРОЛОГИЯ, 2012, том 20, № 4, с. 351-365
УДК 552.4:546.822:669.14
ЭФФЕКТЫ УДАРНО-ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ОКСИДАХ © 2012 г. Б. А. Гижевский*, В. Р. Галахов*, Е. А. Козлов**
*Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620990, Россия; e-mail: gizhevskii@imp.uran.ru, galakhov@ifmlrs.uran.ru **Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. акад. Е.И. Забабахина Снежинск, Челябинская обл., 456770, Россия; e-mail: е.a.kozlov@vniif.ru Поступила в редакцию 19.12.2011 г.
Получена после доработки 06.01.2012 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований воздействия ударных волн на структуру, валентность ионов и фазовый состав оксидов, представляющих собой минералы: CuO (тенорит), Mn3O4 (гаусманит), а также LaMnO3 (манганит со структурой перовскита). Ударно-волновое нагру-жение (УВН) осуществлялось в сферической постановке взрывных экспериментов, в случае тено-рита использовалась и цилиндрическая схема нагружения. Для сравнения приводятся также результаты интенсивного квазистатического деформирования оксидов сдвигом под давлением. Основное внимание уделено изучению изменений в оксидах под действием ударных волн на уровне химических связей, нарушениям ионного состава и стехиометрии, связи этих процессов с возникновением микро(нано)структуры в минералах, этапам и микромеханизмам образования новых высокоплотных фаз. Продемонстрирована высокая эффективность для исследования оксидов, претерпевших УВН, различных методов рентгеновской спектроскопии: фотоэлектронной, абсорбционной, эмиссионной, а также ядерно-физических методик: резерфордовское обратное рассеяние, метод ядерных реакций, аннигиляция позитронов. Кристаллическая структура и фазовый состав исследовались методами рентгеновской дифракции и нейтронографии. Микростуктура изучалась с помощью оптической, сканирующей электронной и туннельной микроскопии. Показано, что эффекты УВН в оксидах начинаются с нарушения стехиометрии, роста числа катионов с пониженной валентностью, образования микро(нано)структуры. Существенную роль при этом играют пластические деформации, возникающие в процессе УВН. Разложение оксидов на твердофазной стадии ударного метаморфизма под действием высоких давлений, температур и интенсивных пластических деформаций приводит к появлению оксидов с пониженной степенью окисления и свободного кислорода, который способен распространяться на значительные расстояния и приводить к образованию новых соединений. Сверхглубокое проникновение частиц окружающей матрицы в минерал-мишень при УВН также может быть одним из механизмов ударного метаморфизма на твердофазном этапе преобразования вещества.
ВВЕДЕНИЕ
Закономерности преобразования вещества при ударно-волновом нагружении (УВН) изучаются на протяжении нескольких десятилетий по различным направлениям науки (Бацанов, 1970, 1996; Stoffler, 1974; Duvall, Graham, 1977; Альтшу-лер, 1978; Дерибас, 1980; Фельдман, 1990; Козлов, 1998; Козлов и др., 2003, 2007а; Kozlov et al., 2004; Taluts et al., 2000; Сазонова и др., 2006). Значительный вклад в исследования ударного метаморфизма породообразующих минералов принадлежит В.И. Фельдману. Результаты оригинальных экспериментальных исследований и их подробное сравнение с данными для природных ударных структур (астроблем) приведены в серии фундаментальных работ В.И. Фельдмана (Фельдман, 1990, 2001, 2010; Фельдман и др., 2003, 2006, 2007). Одним из выводов этих работ является
классификация основных механизмов образования высокоплотных фаз в результате ударно-волнового воздействия. К ним относятся: 1) кристаллизация из импактного расплава, 2) мартенсит-ные фазовые переходы и 3) миграционные фазовые переходы (перекристаллизация с миграцией химических компонентов на твердофазной стадии сжатия). Первые два механизма достаточно известны. При миграции химических компонентов минерала-мишени новые фазы до определенного предела могут и не возникать и только при достижении некоторого критического состояния возможно образование новых высокоплотных фаз. Миграционный фазовый переход найден для алмаза и коэсита в природных условиях, для рингвудита и фазы пироксенового состава в лабораторных экспериментах. Последний механизм в целом описан и сформулирован
В.И. Фельдманом. В вышеприведенных работах Фельдмана и др. описаны некоторые закономерности этого вида преобразования минералов. Установлено, что величины ударных напряжений, при которых начинается ударно-термическое разложение (УТР) породообразующих минералов с образованием высокоплотных фаз, зависит от типа кристаллической решетки исходного минерала. Интенсивность миграции химических компонентов снижается с уменьшением координационного числа иона. Новообразованные фазы ударно-термического агрегата (УТА) фиксируют компоненты исходной фазы, но при этом происходит обмен веществом с окружающей матрицей.
Рассмотрение этого многопланового явления, имеющего немаловажное значение и для других областей науки, до настоящего момента носит в основном описательный характер. При этом не затрагивались возможные физико-химические микромеханизмы миграционных фазовых переходов, практически не рассматривалась роль легких элементов, в частности кислорода, и связанного с этим изменения зарядового состояния (валентности) катионов, а также значение различного рода пластических деформаций, возникающих в процессе УВН. Для понимания природы миграционных фазовых переходов может быть полезен муль-тидисциплинарный подход с использованием различных физических методов исследования и модельных объектов — простых соединений с различной кристаллической структурой, подвергнутых УВН в плоской, цилиндрической и сферической постановках. В настоящей обзорной работе представлены результаты исследований на основе такого подхода для ряда оксидов переходных элементов, представляющих собой минералы. Основное внимание уделяется изучению изменений в оксидах под действием ударных волн на уровне химических связей, нарушениям ионного состава и стехиометрии, взаимосвязи этих процессов с возникновениям микро(нано)структуры в минералах при УВН, этапам и микромеханизмам образования новых высокоплотных фаз.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве модельных объектов исследования влияния УВН на минералы были выбраны тено-рит СиО, гаусманит МпМп204, манганит лантана ЬаМп03 (Козлов и др., 2007б). Для сравнения и получения более полной картины эффектов высоких давлений и сильных пластических деформаций ряд оксидов — тенорит, манганит, железо-иттриевый гранат У^е5012, кобальтит лития ЫСо02 — был подвергнут интенсивным квазистатическим деформациям сдвига под давлением посредством метода кручения (Гижевский и др., 2005). Исследованные оксиды были синтезирова-
ны в лабораторных условиях по керамической технологии из высокочистых компонентов.
Методика нагружения оксидов сферически сходящимися ударными волнами описана в (Козлов, 1999; Гижевский и др., 2001) и была аналогична использованной в экспериментах с горными породами (Козлов и др., 2003; Сазонова и др., 2006; Фельдман и др., 2006). Заготовку из оксида меди диаметром 49 мм заваривали в вакууме в гер-мочехол из нержавеющей стали. Нагружение производили в РФЯЦ—ВНИИТФ детонацией слоя взрывчатого вещества (ВВ) ТГ 3/7 толщиной 8 мм на поверхности сферического гермочехла. В процессе нагружения на внешней поверхности образца давление составляло ~20 ГПа при длительности импульса нагрузки 1.5—2 мкс. Во фронте сходящейся ударной волны в центральной части шара на радиусах <1 мм давление превышало 200 ГПа. Параметры нагружения в нашем случае соответствовали параметрам низкоинтенсивного режима нагружения в экспериментах с горными породами. Мы также использовали метод нагружения ударными волнами в цилиндрической (точнее, квазицилиндрической) постановке (Гижевский и др., 2010). Этот метод не дает таких высоких параметров нагружения как в случае сферической постановки, однако он более прост и доступен. Ампула сохранения представляла собой стальной цилиндр с крышкой. Общая высота ампулы составляла 160 мм, внутренний диаметр 15 мм, высота образца 50 мм. В качестве заряда использовалось промышленное ВВ АСМ+5% ДТ со скоростью детонации 3—3.5 км/с. После нагружения, как и в случае сферической постановки, ампулу сохранения разрезали и извлекали образец для исследований (рис. 1). Квазистатическое пластическое деформирование под давлением осуществлялось с помощью пресса усилием 100 т и наковален Бриджмена из сплава WC ВК6 диаметром 5 или 10 мм (Гижевский и др., 2005). Крупнозернистый порошок оксида помещался между наковален и сжимался давлением до 12 ГПа. Затем одну из наковален поворачивали (рис. 2). Степень деформации сдвига под давлением характеризовалась углом поворота наковален относительно друг друга.
Для исследования образцов, претерпевших УВН или квазистатическое деформирование, применялись различные методы рентгеновской спектроскопии, в том числе с использованием синхротронных источников излучения. Эти методы позволяют установить зарядовое (валентное) состояние ионов, характер изменения химической связи, а также выявить новые химические фазы (Галахов и др., 2010). Они дают возможность не только определить элементный состав, но и установить количественные изменения катионов с той или иной валентностью, выявить изменение характера химической связи еще до образования
(a)
D««7 2 Э Ч 5 Б 7
(б)
Рис. 1. Образец, претерпевший УВН. (а) — ампула сохранения после ударно-волнового на-гружения в цилиндрической постановке эксперимента; (б) — образец тенорита после нагружения.
новой фазы. Таким образом, рентгеноспектраль-ные методы могут выявить начальные изменения в минерале и указать тем самым на микроскопические механизмы преобразования вещества при ударном метаморфизме. Методы рентгеновской спектроскопии дают возможность оценить состояние как поверхностных, так и более глубоко расположенных слоев образца, что позволяет выявить роль поверхностных состояний в преобразованиях вещества. Это представляется важным, поскольку
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.