устройство для нагружения ударной волной образцов конической формы и для их сохранения после нагружения

Формула изобретения

Устройство для нагружения ударной волной образцов и для их сохранения после нагружения, характеризующееся тем, что содержит вертикально смонтированные последовательно на основании охранное кольцо с полостью для размещения ампулы сохранения, в которой размещается образец материала, подвергаемого обработке высоким динамическим давлением, и над которой размещен ударник в виде алюминиевого диска, а также пиротехнический заряд с инициированием от детонатора для формирования детонационной волны в направлении этого диска, под взрывчатым веществом пиротехнического заряда установлено направляющее стальное кольцо, в полости которого размещен указанный диск, который размещен на расстоянии над охранным кольцом, в полости которого установлена стальная ампула сохранения, выполненная из соединяемых между собой резьбовым соединением основания ампулы и охватывающей его крышки, в верхней части основания ампулы выполнена цилиндрическая выемка для стального вкладыша в виде диска, отличающееся тем, что для нагружения ударной волной образцов конической формы в центре выемки располагается полость конической формы для размещения в ней образца обрабатываемого материала в виде конуса, основание которого расположено заподлицо с поверхностью дна выемки, а в цилиндрической выемке между основанием конуса и крышкой ампулы размещен вкладыш в виде стального диска.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области испытаний материалов и может быть использовано для ударно-волнового синтеза новых материалов, ударно-волнового компактирования порошкообразных материалов, изучения фазовых превращений различных материалов под действием высоких давлений и температур и физического моделирования импактных процессов в лабораторных условиях. В частности, изобретение касается конструкции устройства, используемого при проведении экспериментов, связанных с нагруженном образцов графита ударной волной и с последующим их сохранением после нагружения.

Устройства для ударно-волнового нагружения образцов с последующим их сохранением различных конструкций - со сферической геометрией нагружения, с плоской геометрией нагружения и др. - имеют схожие области применения: для ударно-волнового синтеза новых материалов, модификации структуры и свойств материалов, ударно-волнового компактирования порошкообразных материалов, изучения фазовых превращений различных материалов под действием высоких давлений и температур, физического моделирования импактных процессов в лабораторных условиях и т.п.

Устройства со сферической геометрией нагружения позволяют получить очень высокие давления (несколько Мбар в центральной части), имеют неоднородное пространственное распределение максимального давления и других параметров нагружения по образцу, требуют знания уравнения состояния исследуемого материала и проведения численных расчетов для установления вышеупомянутого распределения давления и интерпретации результатов экспериментов, обладают крайне сложной схемой инициирования и сложны в изготовлении. В плоских системах давление не велико - обычно до 0.5 Мбар, но схема инициирования очень проста (требуется только один детонатор), такие устройства просты в изготовлении, распределение давления по образцу в первом приближении однородно и для нахождения максимального давления в материале проведение математического моделирования и знание уравнения состояния не требуется.

В частности, известно устройство для обработки материалов сверхвысоким давлением, включающее в себя одно- или многослойную сферическую герметичную оболочку, в центральную полость которого помещают образец в виде сплошного шара из обрабатываемого материала для всестороннего обжатия так, чтобы центр образца совпадал с центром этой полости. При этом на оболочке размещен слой взрывчатого вещества: толщина, мощность и масса которого рассчитываются в зависимости от того, какие параметры (температуру, давление) необходимо обеспечить для конкретного образца и конкретного материала. Система задействования слоя взрывчатого вещества установлена на его поверхности, а корпус окружает описанные выше слои, выполнен одно- или многослойным и обладает свойством уносить избыточный импульс и поглощать энергию взрывчатого вещества за счет подбора материала или сочетания материалов с определенными свойствами, способствующих поглощению энергии, выделяемой взрывчатым веществом (RU 2063449, C21D 7/00, B01J 3/06, опубл. 10.07.1996).

Недостаток конструкции такого сферического устройства заключается в трудоемкости его изготовления и исключительной сложности системы задействования слоя взрывчатого вещества, так как при сферическом подрыве необходимо осуществлять многоточечное инициирование с высокой степенью синхронизации по времени и использовать элементы специальной конструкции для передачи детонации.

Как упоминалось выше, более удобными для пользования и технологически простыми устройствами для проведения экспериментов по нагружению образцов ударной волной с последующим их сохранением являются устройства с плоской геометрией нагружения. Такие устройства описаны, например, в RU 2006137056 и в статье "Vladimir V. Milyavskiy, Konstantin V. Khishchenko, Tariana I. Borodina. Stepwise shock compression of C₇₀ fullerene // Carbon. 2011. Vol.49. P. 2345-2351".

Так, в RU 2006137056, B01J 3/00 опубл. 27.04.2008, описано устройство для синтеза кристаллического карбина, содержащее вертикально смонтированные последовательно на основании корпус с камерой для размещения ампулы сохранения, в которой размещается графитовый материал и над которой размещен ударник в виде металлического диска, а так же пиротехнический заряд с инициированием от детонатора для формирования ударной волны в направлении металлического диска, под взрывчатым веществом установлено направляющее стальное кольцо, в полости которого размещен ударник в виде алюминиевого диска, который размещен на расстоянии над полостью, образованной кольцеобразным стальным элементом корпуса, в полости которого установлена стальная ампула сохранения, выполненная из нижней части (основания) и крышки, соединяемых между собой резьбовым соединением, при этом во внутреннем объеме ампулы сохранения размещен вкладыш в виде стального диска с цилиндрическим углублением в центральной части для установки в него диска из фторопласта диаметром, повторяющим диаметр цилиндрического углубления и поверхность которого по всей площади выстлана внахлест расположенными между собой чешуйками фольги графита монохроматорного качества с плотностью не менее 2,2 г/см³ и толщиной 10-20 мкм, при этом после установки диска из фторопласта с расположенными на нем внахлест относительно друг друга чешуйками цилиндрическое углубление закрыто другим диском из фторопласта и медной пробкой.

В этом устройстве пиротехнический заряд с инициированием от детонатора включает в себя генератор плоской ударной волны из парафина и взрывчатого вещества и само взрывчатое вещество. Принято в качестве прототипа.

Конструкция, описанная в RU 2006137056, эффективна как устройство для синтеза карбина, проста в изготовлении, требует для инициирования только один детонатор, но в части максимального ударного давления, действующего на образец, многократно уступает сферическому устройству RU 2063449.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности устройства в части проведения ударно-волновой обработки помещенного в устройство материала при инициировании заряда одним детонатором путем многократного увеличения максимального ударного давления, действующего на образец, за счет изменения геометрии образца и места его размещения. Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для нагружения ударной волной образцов конической формы и для их сохранения после нагружения, содержащем вертикально смонтированные последовательно на основании охранное кольцо с полостью для размещения ампулы сохранения, в которой размещается образец материала, подвергаемого обработке высоким динамическим давлением (или исходного материала для ударно-волнового синтеза, или порошкообразного материала для проведения ударно-волнового компактирования) и над которой размещен ударник в виде алюминиевого диска, а так же пиротехнический заряд с инициированием от детонатора для формирования детонационной волны в направлении этого диска, под взрывчатым веществом установлено направляющее стальное кольцо, в полости которого размещен указанный диск, который размещен на расстоянии над охранным кольцом, в полости которого установлена стальная ампула сохранения, выполненная из соединяемых между собой резьбовым соединением основания ампулы и охватывающей его крышки, в верхней части основании ампулы выполнена цилиндрическая выемка для стального вкладыша в виде диска, в центре выемки располагается полость конической формы для размещения в ней образца обрабатываемого материала в виде конуса, основание которого расположено заподлицо с поверхностью дна выемки, а в цилиндрической выемке между основанием конуса и крышкой ампулы размещен вкладыш в виде стального диска.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг.1 представлена схема устройства с конической полостью для нагружения и сохранения образцов после воздействия сильной ударной волны;

фиг.2 - общий вид ампулы сохранения и образца;

фиг.3 - результаты численного расчета распределения давления в образцах графитов MF-307;

фиг.4 - результаты численного расчета распределения давления в образцах графитов МПГ;

фиг.5 - результаты численного расчета распределения давления в образцах графитов ГМЗ.

Согласно настоящего изобретения рассматривается устройство (фиг.1) для нагружения ударной волной образцов графита и для их сохранения после нагружения. Образец для нагружения может быть представлен в виде монолитного элемента (как образец графита в рассматриваемом конкретном примере) или в виде порошкообразного материала, который запрессовывается непосредственно в коническую полость основания ампулы сохранения. Так же образцы из материалов, обладающих низкой по сравнению со сталью температурой плавления, можно изготовить путем плавления материала и последующей заливки расплава в коническую полость основания ампулы сохранения.

На фиг.1 следующими позициями представлены конструктивные элементы устройства: 1 - детонатор; 2 - генератор плоской ударной волны; 3 - взрывчатое вещество; 4 - направляющее кольцо; 5 - ударник; 6 - столбики; 7 - охранное кольцо; 8 - основание ампулы сохранения; 9 - крышка ампулы; 10 - вкладыш; 11 -исследуемый образец; 12 - основание, 13 -полость конической формы.

Это устройство содержит вертикально смонтированные последовательно на основании 12 охранное кольцо 7 с полостью для размещения ампулы сохранения, в которой размещается образец 11 и над которой размещен ударник 5 в виде металлического диска, а так же пиротехнический заряд (состоящий из генератора плоской ударной волны 2 и взрывчатого вещества 3) с инициированием от детонатора 1 для формирования детонационной волны в направлении металлического диска. Под взрывчатым веществом 3 установлено направляющее стальное кольцо 4, в полости которого размещен ударник 5 в виде алюминиевого диска, который размещен на расстоянии над охранным кольцом 7, в полости которого установлена стальная ампула сохранения, выполненная из соединяемых между собой резьбовым соединением основания ампулы 8 и охватывающей его крышки 9, в верхней части основании ампулы выполнена цилиндрическая выемка для стального вкладыша в виде диска 10, в центре выемки располагается полость конической формы 13 для размещения в ней образца обрабатываемого материала в виде конуса 11, основание которого расположено заподлицо с поверхностью дна выемки, а в цилиндрической выемке между основанием конуса и крышкой ампулы размещен вкладыш в виде стального диска 10.

Данное устройство для нагружения ударной волной образцов конической формы и для их сохранения после нагружения позволяют получить высокие давления (несколько Мбар у вершины конуса - как в устройствах со сферической геометрией нагружения), просто в изготовлении и обладает несложной схемой инициирования от одного детонатора (как устройства с плоской геометрией нагружения), имеет неоднородное пространственное распределение максимального давления и других параметров нагружения по образцу и требуют проведения численных расчетов для установления распределения давления и интерпретации результатов экспериментов (как устройства со сферической геометрией). Преимущество данного устройства по сравнению с устройствами со сферической геометрией нагружения - простая схема инициирования и простота изготовления, по сравнению с устройствами с плоской геометрией нагружения - высокие давления нагружения.

В устройстве применялся генератор 2 плоской ударной волны (состав: парафин марки П-1 (ГОСТ 23683-89-150 г), взрывчатое вещество (состав A-IX-1, ОСТ 384-636-72-150 г) и само взрывчатое вещество 3 (состав A-IX-1, ОСТ 384-636-72-600 г).

Для проведения ударно-волнового нагружения графита при помощи данного устройства на токарном станке вытачивались конические образцы с диаметром при основании 15.346 мм, высотой 10 мм и углом при вершине 75° градусов. В качестве исходного материала для исследований использовался графит трех различных модификаций: ГМЗ (р=1.70 г/см³ ), МПГ-7 (р=1.91 г/см³), и MF-307 (р-2.01 г/см ³). Образцы размещались в конической полости 13 соответствующего размера, расположенной в основании 8 из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (фиг.2) с наружным диаметром 57 мм и высотой 20 мм. Полость с образцом накрывалась вкладышем 10 толщиной 3 мм, диаметром 25 мм. На основание ампулы 8 навинчивалась крышка 9 толщиной 5 мм. Ампула в сборе вставлялась в стальное охранное кольцо 7 с наружным диаметром 150 мм и толщиной 25 мм и помещалась на стальное основание 12 диаметром 150 мм и толщиной 25 мм. Сборки сохранения нагружались плоским ударом алюминиевых пластин толщиной 5 мм и диаметром 90 мм, разогнанных продуктами детонации взрывчатого вещества до скорости 3,35 км/с при помощи взрывного метательного устройства.

После эксперимента ампулы сохранения вскрывались на токарном станке и из них извлекались сохраненные образцы, которые в дальнейшем подвергались микроструктурным исследованиям. Образцы, извлеченные из ампул сохранения, были в различной степени деформированы и утратили первоначальную правильную коническую форму, сохранив, однако, целостность и высокую степень осевой симметрии. Плотность всех образцов оказалась примерно одинаковой и составляла 2.1 г/см³. Таким образом, исходно наименее плотный графит ГМЗ подвергся наибольшей деформации. Основания "конусов" были слегка вогнуты в сторону вершины. Каждый из "конусов" разрезался на пять слоев, перпендикулярных оси симметрии. Из каждого слоя материала изготавливалась порошковая проба, которая исследовалась методами рентгенофазового анализа с целью изучения фазовых превращений графита при ударно-волновом нагружен . Результаты численного расчета распределения давления в образцах графитов MF-307, МПГ и ГМЗ, выполненных с использованием уравнения состояния «Khishchenko K.V., Fortov V.E., Lomonosov I.V. Multi-phase equation of state for carbon over wide range of temperatures and pressures // Int. J. Thermophys. 2005. V.26. 2. P.479» представлены на фиг.3, фиг.4 и фиг.5, соответственно. На данных рисунках приведены расчетные изобары в нагружаемых образцах графита, номинированные в ГПа, для трех моментов времени t₁=2.661, t₂=2.712 и t₃=2.858 мкс, отвечающих максимальному давлению в экспериментах с графитом MF-307, МПГ и ГМЗ, соответственно. За начальный момент времени в расчетах принимался момент касания ударника (позиция 5 на фиг.1) крышки ампулы сохранения (позиция 9 на фиг.1). Таким образом, настоящее устройство позволяет нагружать образцы ударным давлением свыше 200 ГПа.

Настоящее изобретение промышленно применимо, может быть изготовлено с применением известных технологий и материалов. Новизна изобретения состоит в новой форме образца и новой конструкции ампулы сохранения, обеспечивающей возможность нагружения образцов до давлений свыше 2 Мбар при использовании простой схемы инициирования с одним детонатором.