Forskare från Lawrence Livermore, Los Alamos och Sandia nationella laboratorier har slagit sig ihop för att bättre förstå styrkan hos tantal, ett viktigt plattformsutvecklingsmaterial i tri-lab-gemenskapen.

Arbetet bygger på förståelsen att tantal förblir i en enda fast fas över hela skalan av tillstånd som undersökts. Detta inkluderar villkor som är tillgängliga för National Ignition Facility på LLNL och Z-maskinen på Sandia. Även om tantal är nominellt enkelt, uppvisar det fortfarande komplexitet i hur processer i atomskala i materialet visar styrkavariationer som sträcker sig över nästan två storleksordningar.

Forskningen, som presenteras i Acta Materialia , fokuserad på att svara på två frågor:ger dessa olika experiment en sammanhängande bild av styrka? Och kan forskare, genom integrerad analys av olika experiment, främja den teoretiska förståelsen och modelleringen av styrka under extrema förhållanden?

Forskarna använde data från sju olika typer av experiment och jämförde tre oberoende hållfasthetsmodeller för att utforska styrka med en ny grad av korsjämförelse över ett brett spann av förhållanden. I denna inställning avser styrka materialets motståndskraft mot permanent deformation. Den typen av permanent deformation diskuteras ofta i termer av plastisk töjning. Hastigheten på materialets deformation – dess hastighet – undersöktes också. Hastigheten är omvänt relaterad till experimentets varaktighet. De experiment som hade den kortaste varaktigheten undersökte de högsta töjningshastigheterna. NIF-experimenten fick tillgång till de mest extrema förhållandena, och styrkadata samlas in under endast tiotals nanosekunder i NIF-skotten.

Nathan Barton, programgruppledare för kondenserad materiens fysik inom vapenfysik- och designprogrammet vid LLNL och medförfattare till arbetet, sa att arbetet stämmer överens med NNSA-laboratoriernas stora vetenskapsuppdrag.

"Arbetet drog kritiskt på ämnesexpertis från alla laboratorier," sa Barton. "Vi behövde expertis i både datainsamling och relevant analysteknik för alla experimentella plattformar."

Sammansättningen av tri-lab-teamet växte fram ur tekniska diskussioner ledda av Bruce Remington på LLNL, Rusty Gray på LANL och Dawn Flicker från Sandia. Dana Dattelbaum, som övervakar det relevanta programområdet vid LANL, beskrev nivån av tri-lab-samarbete som ledde fram till detta dokument som oöverträffad.

I traditionella tillämpningar tenderar forskare att tänka på styrkan hos ett material som relativt okänsligt för tryck och hastighet. Om man tittar på det extrema utbudet av förhållanden som nås på experimentella plattformar i NNSA-företaget, ser forskarna styrkavariationer med nästan två storleksordningar - från 0,15 gigapascal (GPa) till över 10 GPa. En gigapascal motsvarar ungefär 10 000 atmosfärers tryck. Som en användbar jämförelsepunkt kan ett höghållfast stål ha en styrka runt 1 GPa vid omgivningsförhållanden och konventionella hastigheter. Så över alla förhållanden som studerades gick tantal från att vara mycket mjukare till att vara cirka 10 gånger starkare än ett höghållfast stål under konventionella förhållanden.

"Den unika aspekten är nivån av förståelse som vi kunde få genom att ta en enhetlig titt på data från en sådan rad experimentella plattformar," förklarade Barton. "Det arbete som beskrivs i artikeln undersöker tryck från omgivningstemperatur till över 350 GPa, töjningshastigheter från 10 ⁻³ till 10 ⁸ per sekund och temperaturer från 148 till 3 800 Kelvin."

Det integrerade tillvägagångssättet hjälpte forskare att isolera tryck- och hastighetseffekter. "Även om det är glädjande att vi kunde justera modeller som är i vanligt bruk för att fånga observationerna, är det tydligt att vi har mer arbete att göra för att fullt ut förstå och förutsäga materiell respons under ett så dramatiskt antal förhållanden," sa Barton.

Tri-lab-aktiviteten som beskrivs i artikeln pågår och fortsätter att vara ett värdefullt verktyg för att samordna utvärderingen av experimentella data från en mängd olika experimentella plattformar, inklusive flaggskepps DOE-anläggningar som NIF vid LLNL, Z-maskinen på SANDIA och Dynamic Compression Sector vid Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory. Tri-lab-teamet har flyttat tyngdpunkten för att undersöka styrkan hos material som genomgår fasomvandlingar, och en milstolpe på nivå 2 inom detta område har precis slutförts framgångsrikt. Flera presentationer på en American Physical Society-konferens i sommar kommer att innehålla aspekter av detta nyare arbete, och det kommer att finnas ytterligare publikationer från tri-lab-teamet. + Utforska vidare

Forskning belyser tekniker för att studera material under extrema förhållanden