давление высокое

ДАВЛЕНИЕ ВЫСОКОЕ - давление, превышающее нек-рое характерное для данного физ. явления или конкретной задачи значение. В физике за Д. в. обычно принимаются давления, превышающие 0,1 ГПа (1000 ат); столь же условно деление Д. в. на высокие и сверхвысокие. В теории к Д. в. иногда относят давления, при к-рых изменения межатомных и межмолекулярных расстояний сравнимы с величиной этих расстояний, т. е. давления порядка величины модулей упругости.

Длительно действующее Д. в. наз. статическим, кратковременно действующее - мгновенным или (чаще) динамическим. В покоящихся газах и жидкостях Д. в. является гидростатическим. При сжатии твёрдой однородной среды в ней, как правило, возникает т. н. квазигидростатическое Д. в.- сложная система механич. напряжений, описываемых тензором второго ранга, компоненты к-рого изменяются от одной точки тела к другой. Чем меньше по сравнению со ср. давлением (ср. арифметич. значением нормальных напряжений в трёх взаимно перпендикулярных направлениях) величина напряжения сдвига, тем ближе квазигидростатич. Д. в. к гидростатическому. При действии окружающего гидростатич. Д. в. на поверхность твёрдого тела, состоящего из механич. смеси частиц или агрегата зёрен (кристаллитов) с различными упругими (в т. ч. анизотропными) свойствами, ср. давление и девиатор тензора напряжений в частицах (фазах) обусловлены величиной окружающего Д. в., направлением и скоростью его изменения, условиями на границах фаз (частиц), взаимной ориентировкой анизотропных зёрен, в известной мере, относительным содержанием разнородных элементов.

Термином "Д. в." обозначают как гидростатич., так л квазигидростатич. Д. в., а за его величину принимают величину ср. давления в рассматриваемом объёме (для плоского случая - ср. величину нормальных напряжений, действующих на рассматриваемую площадь).

В 70-80-х гг. в эксперим. исследованиях были перекрыты диапазоны статич. и динамич. Д. в. путём повышения величины достижимых статич. Д. в. и понижения (до 1-2 ГПа) нижнего предела динамич. Д. в. Кроме того, достигнуто приближение термодинамич. условий ударного сжатия к изоэнтропическим.

Статические Д. в. Вприроде статич. Д. в. осуществляется гл. обр. благодаря силам тяготения. В земных слоях давление изменяется от атмосферного у поверхности до ~3,5*10² ГПа в центре Земли, в центре Солнца оно составляет ~2*10⁷ ГПа, в центре звёзд белых карликов предполагается равным 10⁹-10¹¹ ГПа. Эксперим. исследования проводятся при давлениях до ~10² ГПа. Пром-сть использует статич. Д. в. до ~10 ГПа.

Получение и измерение Д. в. Статич. Д. в. получают тепловыми или механич. методами. В первых Д. в. создаётся либо при нагревании жидкости или газа в замкнутых сосудах (в газах т. о. получены Д. в. до 3-4 ГПа), либо при охлаждении жидкости, увеличивающей свой объём при затвердевании (напр., замораживая воду, можно получить фиксированное Д. в. ок. 0,2 ГПа).

Механич. методы - основные, в них используют: насосы и компрессоры (гидравлич. и газовые, до 1,0- 1,5 ГПа); аппараты, в к-рых масса сжимаемого вещества остаётся постоянной (рис. 1, а) или почти постоянной (рис. 1, б-е), а занимаемый объём уменьшается под действием внеш. силы, создаваемой гидравлич. прессом или пружиной (в миниатюрных устройствах).

Работоспособность сосудов Д. в. повышают разл. приёмами "механич. поддержки" их стенок, создающими напряжения сжатия, к-рые противодействуют внутр. Д. в. в рабочем объёме (фреттаж, намотка высокопрочной ленты, проволоки и т. д.). В установках типа классич. камер "цилиндр - поршень" (рис. 1, я), применяемых для сжатия газов, жидкостей и твёрдых сред, величина Д. в. ограничена прочностью поршней на сжатие (при использовании твёрдых сплавов макс. Д. в. ~ 5-6 ГПа). С целью увеличения рабочих объёмов камер и достигаемых значений Д. в. максимально повышают прочность конструкций, напр. путём разделения стенок камер на сегменты, что снимает окружные норм. растягивающие напряжения (т. н. многопуансонные аппараты; рис. 1, в). Используют также повышение прочности материалов под действием самого Д. в. (рис. 1,б, в, е), помещая камеры Д. в. в сосуды большего объёма с меньшим давлением - многоступенчатые аппараты. Увеличение полезных рабочих объёмов достигается применением мощных гидравлич. прессов в сочетании с упомянутыми выше конструктивными приёмами. Наиб. Д. в. получают в аппаратах, изготовленных из природных или синтетич. алмазов (рис. 1, г); однако рабочий объём таких камер составляет сотые доли мм³.

Рис. 1. Типы аппаратов высокого давления: а - аппарат цилиндр - поршень; б - камера с криволинейными или коническими пуансонами и соответствующей формой сосуда высокого давления; в - многопуансонный аппарат (шестипуансонный вариант, изображены 4 пуансона, рабочее тело имеет кубическую форму); г - двухпуансонные "наковальни"; д - двухпуансонные профилированные наковальни типа "чечевица"; е - двухпуансонные профилированные наковальни с лункой типа "тороид". 1 - пуансон (поршень); 2 - сосуд высокого давления; 3 - исследуемый образец (или ампула с образцом); 4 - среда, передающая давление; 5 - уплотняющая прокладка.

При необходимости проведения эксперимента в интервале темп-р от -196° до +400⁰C камеры Д. в. помещают в термостаты. В экспериментах с более низкими темп-рами используется криогенная техника. Темп-ры до 1500-3000 ⁰C в стационарном режиме и более высокие в импульсном режиме создаются с помощью внутр. нагревателей (электрич. сопротивления), в аппаратах с прозрачными алмазными наковальнями - с помощью лазеров непрерывного действия. При применении внутр. нагревателей возникают резкие градиенты температуры в камере Д. в., требующие спец. мер для выравнивания её.

В жидкостях и газах Д. в. измеряют манометрами (для абс. измерений и градуировки манометров др. типов применяют грузопоршневые манометры). В диапазоне Д. в. р от 1 до ~8 ГПа в области комнатных темп-р наиб. распространение получил т. н. манганиновый манометр - бескаркасный проволочный резистор, нач. сопротивление которого слабо зависит от темп-ры, а чувствительность м²/Н. Применение манганинового манометра ограничивается его чувствительностью к негидростатич. компонентам Д. в. в сжимаемой среде.

В твёрдой среде в аппаратах типа цилиндр - поршень (рис. 1, а) величина Д. в. может быть определена по действующей на поршни (пуансоны) нагрузке (с учётом трения и градиента Д. в. по оси камеры). В др. устройствах значит. часть нагрузки расходуется на поддержку пуансонов и (или) уплотнение разъёмов между ними, и поэтому величина квазигидростатич. Д. в. определяется только косвенными методами непосредственно в проводимом эксперименте или по предварит. градуировке камеры по нагрузке. Для этого используют скачки электрич. сопротивления (рис. 2), сопровождающие твёрдофазные превращения в т. н. реперных веществах: Bi, Tl, Ba, Sn (в диапазоне 2,5-10 ГПа); Ba, Sn, Pb, ZnS, GaAs (10-20 ГПа); ZnS, GaP, сплавы Fe-Co, Fe-V (20-50 ГПа); акустич. эмиссию при мартенситных полиморфных переходах (напр., в RbCl, KCl и их сплавах в диапазоне 0,6-2 ГПа), а также остаточные эффекты сжатия. При рентгеноструктурном анализе под Д. в. величину последнего определяют по изменению параметра кристаллич. решётки известного вещества [напр., NaCl (до 30 ГПа) и CsCl (до 40 ГПа) в интервале темп-р от -100 до +800⁰C]. В аппаратах с алмазными пуансонами Д. в. оценивают по увеличению длины волны R-линии люминесценции рубина (~ 3,6 мкм/ГПа), прокалиброванному до 30 ГПа по ур-нию состояния для NaCl.

При значит. отличии упругих модулей твёрдого сжимаемого вещества и материала чувствит. элемента показания последнего могут быть завышенными, если его сжимаемость меньше сжимаемости среды, и заниженными, если сжимаемость среды меньше. Под воздействием темп-ры величина Д. в. в камере часто значительно отклоняется (из-за изменения объёма сжимаемой среды и изменения объема камеры) от величины, установленной при комнатной темп-ре. Поправку на темп-ру получают фиксацией фаз Д. в., параметры образования к-рых известны. Применяемые методы измерения Д. в. являются, как правило, эмпирическими, основанными на экстраполяции опытных данных.

Для исследования веществ, находящихся под Д. в., применяются резистометрия, пьезометрия, дифференц. термич. анализ, рентгеноструктурный анализ, УЗ-измерения упругих свойств, магнитометрия. Используются также ЯМP и др. резонансные методы, методы, основанные на эффекте Мёссбауэра, эффекте Холла, термоэдс, оптич. исследования (особенно в алмазных камерах типа приведённых на рис. 1, г) и др. При статич. Д. в. до 3-5 ГПа исследуются вещества в газообразном и конденсиров. состояниях, при больших Д. в.- в осн. твёрдые тела. Часто помимо изучения веществ непосредственно под Д. в. исследуют необратимые эффекты воздействия Д. в. после снижения его до атмосферного.

Рис. 2. Зависимость изменения электрического сопротивления с ростом давления неьоторых металлов.

Область физ. исследований воздействия Д в. на разнообразные объекты и процессы (гл. обр. в связи с проблемами физики конденсированного состояния) наз. физ и кой высоких давлений. Термин "физика В. д." введён П. У. Бриджменом (P. W. Bridgman) в назв. его монографии "The Physics of High Pressure" (1931). Техника и методы физики Д. в. применяются в химии, геофизике, технологии и т. д.

Физические эффекты Д. в. В результате действия Д. в. происходит сжатие (уменьшение объёма) вещества. Уменьшение межатомных и межмолекулярных расстояний при сжатии приводит к изменению энергии межатомных и межмолекулярных взаимодействий, деформации молекул и электронных оболочек атомов, что неизбежно сказывается на всех физ. и хим. свойствах вещества. Термодинамически более выгодными становятся состояния и процессы, к-рые ведут к уменьшению объёма всей системы взаимодействующих веществ, находящихся под Д. в. (см. Ле Шателъе - Брауна принцип). Напр., при статич. сжатии в пределах неск. ГПа значительно изменяются условия взаимной растворимости газов и жидкостей, плотность газов достигает плотности жидкостей при нормальных условиях, газы и жидкости при комнатной темп-ре затвердевают; мн. твёрдые тела образуют более плотные кристаллич. модификации.

Рис. 3. Зависимость атомных объёмов V (в см³/г*ат) от атомного номера Z при нормальных условиях и высоком давлении в 1 Мбар и 10 Мбар (100 и 1000 ГПа соответственно).

При давлениях ~10³ ГПа ожидаются резкое уменьшение различий атомных объёмов хим. элементов (см. рис. 3), перестройка электронной структуры элементов с недостроенными электронными оболочками (лантаноидов, актиноидов), переход диэлектриков и полупроводников в металлич. состояние.

При давлениях св. 10¹⁰- 10¹¹ ГПа, когда плотность вещества становится в десятки и сотни раз выше плотности твёрдого тела при нормальных условиях, произойдёт полная ионизация атомов и реализуются условия, необходимые для прохождения ядерных реакций.

Рис. 4. Фазовые Т-р-диаграммы некоторых металлов а-цезия; б - висмута, в - железа; г - церия.

Д. в. может смещать темп-ру всех типов фазовых превращений веществ как 1-го рода (конденсация газов, кристаллизация жидкостей, полиморфные переходы кристаллич. модификаций), так и 2-го рода (магн., атомное упорядочение; переход в сверхпроводящее, сег-нетоэлектрич. состояние и т. д.). В зависимости от термодинамич. свойств сосуществующих фаз величины производных (где и - темп-pa и давление фазового равновесия соответственно) принимают значения от 0 до . Напр., с ростом давления темп-pa плавления может повышаться (наиб. частый случай), понижаться в нек-ром интервале давлений (для Si, Ge, Sb, Bi, Ga, H₂O, InSb и др.), проходить через максимум (Cs, Ba; рис. 4).

Mн. простые вещества и хим. соединения, находящиеся в кристаллич. состоянии, при Д. в. переходят в более плотные модификации. Большое значение имеют переходы с изменением координац. числа или типа хим. связи, напр. переходы графита в алмаз, гексагонального (графитоподобного) нитрида бора (BN) в структуру типа сфалерита или вюрцита и превращения кварц - коусит - стишовит (SiO₂ с решёткой рутила). Mн. образующиеся при Д. в. металлич. фазы обладают сверхпроводимостью (рис. 5). Теоретически предсказаны высокие сверхпроводящие свойства металлич. фазы водорода.

Рис. 5. Периодическая система элементов: пунктирной линией (а) отмечены элементы, образующие новые кристаллические модификации при изменении температуры и нормальном давлении, сплошной линией (б)-элементы, образующие новые модификации под высоким давлением и при различных температурах; точкой (в) помечены элементы, образующие сверхпроводящие фазы высокого давления.

Уменьшая межатомные расстояния, Д. в. деформируют (расширяют) энергетич. зоны твёрдого тела, сужают запрещённые зоны и стимулируют электронные фазовые переходы, обусловленные перестройкой зонной структуры. Напр., при р=0,7 ГПа и темп-ре T= 20 ⁰C в церии происходит превращение, сопровождающееся скачкообразным изменением плотности и энтропии при сохранении типа кристаллич. структуры. Кривая фазового равновесия на T-р-диаграмме церия оканчивается в критич. точке типа жидкость - пар, выше к-рой возможен плавный закритич. переход из одной фазовой области в другую (рис. 4). Критическая точка обнаружена также на кривых изоморфных фазовых превращений в SmS, твёрдых растворов (Sm_1-x, Cd_x)S и ожидается для др. соединений редкоземельных элементов, обладающих перем. валентностью.

Особым случаем электронных фазовых переходов являются т. н. фазовые переходы 2,5-го рода, при к-рых монотонное уменьшение параметров решетки под Д. в. приводит к качественному изменению топологии ферми-поверхности. Такие переходы сначала были предсказаны теоретически, а затем обнаружены экспериментально (напр., у Те).

Экспериментально обнаружены переходы нек-рых диэлектриков в полупроводники и фазы с металлич. проводимостью. В последних исчезает энергетич. щель между валентной зоной и зоной проводимости. В одних веществах металлизация происходит путём фазового перехода с резким скачкообразным изменением кристаллич. структуры и физ. свойств (напр., в Ge, Si и мн. полупроводниковых соединениях типа A^IIIB^V и A^IIB^VI), в других - изменение зонной структуры, электрич. свойств и кристаллич. структуры происходит в широком интервале давлений (напр., в S и Se и нек-рых др. веществах с ярко выраженной анизотропией сжимаемости).

При давлениях св. ~10² ГПа ожидается переход в металлич. состояние всех неметаллич. элементов (H, С, Не, Ar, Xe), а также ионных (NaCl, LiH, . . .) и ковалентных (SiO₂, Al₂O₃) соединений. Будут происходить всё более кардинальные изменения энергетич. состояний электронов, к-рые в конце концов приведут к исчезновению оболочечной структуры атомов и переходу твёрдых тел в качественно новые состояния. Условия для такого перехода пока в лабораториях ещё не созданы, но реализуются в астрофиз. объектах (см. Белые карлики. Нейтронные звезды).

Многообразие фазовых превращений, стимулируемых Д. в. в простых веществах, существенно возрастает в двойных системах и становится трудно обозримым в тройных и более сложных многокомпонентных системах. При этом к полиморфным модификациям (в т. ч. простых веществ) следует относить только те, для к-рых определённо известно, что между фазами возможны лишь взаимные превращения или переход (напр., при нагревании) в общую, третью фазу, т. е. что систему можно рассматривать как однокомпонентную. В двойной системе может наблюдаться полиморфный переход стехиометрич. соединения в его др. полиморфную модификацию того же стехиометрич. состава, переход в фазу перем. состава с широкой областью гомогенности, распад соединения на компоненты или фазы, состав к-рых отличен от исходного (деструкция соединения при Д. в.), а также переход из двухфазного состояния в однофазное вследствие синтеза новой фазы Д. в. или увеличения области гомогенности существовавшей ранее фазы. Осн. закономерность изменения кристаллич. структуры под Д. в. характеризуется увеличением координационного числа. Установлены полуэмпирич. правила, позволяющие прогнозировать структуры и свойства (в т. ч. электронные) простых веществ и соединений, а также направления эволюции фазовых диаграмм многокомпонентных систем при приложении Д. в. Общая тенденция в чередовании структур в том, что под действием Д. в. энергетически выгодными становятся структуры, известные для более тяжёлых элементов той же группы. В соединениях и бинарных системах под Д. в. реализуются структуры и фазовые диаграммы, характерные для подобных же соединений и систем, в к-рых один из компонентов заменён на более тяжёлый. Примерами служат ряд и ряды изоэлектронных с ними соединения A^IIIB^V (BN и др.), ряд SiO₂-TiO₂-ThO₂, диаграммы SnBi и PbBi, CdSb и ZnSb.

Рис. 6. Зависимость вязкости жидкостей от давления для некоторых жидкостей: 1 - вода; 2 - метанол; 3 - изопентан; 4 - н-пропан; 5 - изопропан; 6 - глицерин.

Под действием Д. в. существенно меняются механич. свойства веществ. Так, в твёрдых телах и газах в отсутствие фазовых превращений скорость звука монотонно возрастает (в жидкостях наблюдаются более сложные зависимости). В металлах при увеличении р до 1 ГПа скорость звука возрастает на 10 %, в ионных кристаллах - до 30 %, в газах - в неск. раз. С увеличением плотности газов и жидкостей растёт их вязкость. В отличие от большинства др. эффектов, обычно уменьшающихся с ростом Д. в., влияние Д. в. на вязкость возрастает с его увеличением (рис. 6).

При деформировании твёрдого тела негидростатич. силами в условиях окружающего Д. в. обычно увеличивается предельная деформация и в ряде случаев может изменяться прочность. Под Д. в. понижается темп-ра хрупко-пластичного перехода, характер макроизлома изменяется от хрупкого к вязкому, а напряжение пластич. течения и деформац. упрочнение увеличиваются. Хрупкие под Д. в. материалы разрушаются даже в том случае, когда все внеш. силы сжимающие. При этом преобладает множественное разрушение, особенно в условиях стеснённой деформации. Значит. деформация под Д. в. может вызвать залечивание пор и образование мостиков сварки в пластичных материалах и уплотнение и спрессовывание менее пластичных.

В представлениях механики сплошных сред рост скорости звука связан с увеличением плотности и модулей упругости иод Д. в. Поведение под Д. в. твёрдого тела обусловлено как уровнем ср. давления, так и соотношениями между величинами гл. нормальных напряжений, варьируя к-рые, можно даже при всех нормальных напряжениях сжатия переводить материал от состояния типа одноосного сжатия к состоянию типа одноосного растяжения (меняя знак параметра Надаи- Лоде или шпура тензора деформаций за вычетом шаровой части). Это сказывается на поведении хрупких при атм. давлении тел с низким сопротивлением деформации растяжения, формальные критерии прочности к-рых существенно зависят от вида напряжённого состояния. В деформируемом твёрдом теле Д. в. препятствует зарождению и развитию трещин (дилатансии), к-рое сопровождается положит. объёмным эффектом, и затрудняет смещение берегов трещин друг относительно друга (увеличивая трение под действием нормальных напряжений сжатия). Это повышает тем самым напряжение течения в среде и пластичность (способность испытывать необратимую деформацию без изменения объёма и макроразрывов) или - у хрупких материалов типа горных пород - псевдопластичность (изменение формы, сопровождающееся увеличением объёма за счёт микротрещиноватости и множественного разрушения), к-рая при дальнейшем возрастании Д. в. (и темп-ры) может смениться истинной пластичностью. Д. в. изменяют характер внутризёренной и межзёренной деформаций и разрушения, а также зернограничного скольжения. Деформирование твёрдого тела под Д. в. приводит к образованию слоистой структуры, к переизмельчению зёрен, а также к образованию сверхтонкой субструктуры. Это связано с особенностями физ. процессов в кристаллах при их деформации в условиях окружающего Д. в., таких, как интенсивность дислокац. источников, снижение скорости перемещения одиночных дислокаций (особенно при неконсервативном движении), значит. усиление взаимодействия дислокаций. T. о., деформация под Д. в. кардинально изменяет микроскопич. и дислокац. структуру в кристаллич. материалах, что препятствует развитию в них разрушения и увеличивает предельную деформацию. Глубокое деформирование под Д. в. ~ 5-10 ГПа и выше вызывает потерю дальнего порядка в кристаллич. структуре, образование специфич. кластеров, разложение хим. соединений и образование новых фаз и др. процессы на атомно-молекулярном уровне.

Д. в. оказывает воздействие и на др. свойства вещества: изменяет процессы диффузии, теплопроводности, оптические и акустические спектры твёрдого тела и т. д.

Лит.: Бриджмен П. В., Физика высоких давлений, пер. с англ., М--Л., 1935; его же. Новейшие работы в области высоких давлений, пер. с англ., M., 1948, его же, Исследования больших пластических деформаций и разрыва, пер. с англ., M.. 1955; Циклис Д. С., Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях, 4 изд., M., 1976; его же. Плотные газы, M., 1977; Твердые тела под высоким давлением, Кер. с англ., M., 1966; Брандт H. Б., Ицкевич E. С., Минина H. Я., Влияние давления на поверхности Ферми металлов, "УФН", 1971, т. 104, с. 459; Механические свойства материалов под высоким давлением, пер. с англ., в. 1-2, M., 1973; Николаевский В. H., Лившиц Л. Д.. Сизов И. А., Механические свойства горных пород, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Механика твердого деформируемого тела, т. 11, M., 1978; Верещагин Л. Ф., Кабалкина С. С., Рентгенострук-турные исследования при высоком давлении, M., 1979; Курдюмов А. В., Пилянкевич A. H., Фазовые превращения в углероде и нитриде бора, К., 1979; Тонкое E. Ю., Фазовые диаграммы элементов при высоких давлениях, M., 1979; Верещагин Л. Ф., Твердое тело при высоких давлениях. Избр. труды, M., 1981; его же, Синтетические алмазы и гидроэкструзия. Избр. труды, M., 1982; Стишов С. M., Современное состояние физики высоких давлений, "Вести. АН СССР", 1981, M 9, с. 52; Ададуров Г. А., Гольданский В. И., Превращения конденсированных веществ при их ударно-волновом сжатии в регулируемых термодинамических условиях, "Успехи химии", 1981, т. 50, с. 1810; Понятовский E. Г., Антонов В. E., Белаш И. Т., Свойства фаз высокого давления в системах металл - водород, "УФН", 1982, т. 137, с. 663; Beggerow G., High-pressure properties of matter, в кн.: Landolt-Bornstein. Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, New Series, gr. IV, v. 4, B.-N. Y., 1980.

Л. Д. Лившиц, E. Г. Понятовский.

Динамические Д. в. создаются с помощью ударных волн. Ударные волны сжатия возникают в средах, сжимаемость к-рых уменьшается с ростом давления. Ударные волны в конденсиров. средах от детонации взрывчатого вещества (BB) достигают интенсивности в неск. десятков ГПа. Близкие давления создаются при ударе по мишени ударником, к-рый разгоняют с помощью пневматич. и пороховых пушек до скоростей ~ 2 км/с. С помощью BB можно разогнать ударник до скоростей, близких к скорости разлёта продуктов взрыва (~10 км/с). При соударении такого ударника с мишенью могут достигаться Д. в. в неск. сотен ГПа. Ещё большие (~1000 ГПа) Д. в. создаются с помощью кумулятивного эффекта. Действием сфокусированного лазерного излучения достигнуты давления ок. 1 тысячи ГПа. В экспериментах с подземными ядерными взрывами выполнены исследования при Д. в. в неск. десятков тысяч ГПа.

В отличие от статич. Д. в., к-рые могут варьироваться независимо от темп-ры сжимаемого вещества, динамич. Д. в. связаны с темп-рой. Темп-pa определяется ур-нием состояния вещества и зависит от величины достигнутого давления и сжатия. В конденсиров. средах при Д. в. порядка неск. единиц или неск. десятков ГПа темп-ры достигают значений в сотни и тысячи К, при давлениях в сотни ГПа - десятков тысяч К. Существенно больших темп-р при том же давлении можно достичь при ударном сжатии вещества с пониженной нач. плотностью (пористые среды). Ударное сжатие - адиабатич. ненеобратимый (неизоэнтропийный) процесс. Оно происходит с огромной скоростью в чрезвычайно узкой (для конденсиров. сред ~10420 А) зоне фронта ударной волны. При этом вещество нагревается за счёт адиабатич. сжатия и сверх того вследствие пластич. течений и потока тепла, обусловленных градиентами напряжений и темп-ры в ударном фронте. Падение же давления и темп-ры за ударным фронтом происходит со скоростью на много порядков меньшей, чем скорость их роста в ударном фронте. Это процесс изоэнтропийный, и поэтому энергия ударной волны, затрачиваемая на дополнит. сверхадиабатич. нагрев в-ва при ударном сжатии, после прохождения волны остаётся в среде.

С увеличением интенсивности ударной волны сверхадиабатич. нагрев растёт непропорционально давлению, и на него приходится всё большая доля полной энергии волны. Этим определяется предельное сжатие вещества, к-рое может быть достигнуто ударным сжатием: при бесконечном возрастании давления вся энергия волны расходуется на нагрев среды, и сжатие её прекращается. Для увеличения сжимаемости вещества в ударной волне уменьшают его нач. тёмп-ру или применяют ступенчатое сжатие, когда конечное давление достигается не одной ударной волной, а серией следующих друг за другом ударных волн меньшей интенсивности (квазиизоэнтропич. сжатие).

Максимально достижимые статич. Д. в. ограничены прочностными свойствами конструкц. материалов, но поддерживать состояние с высоким статич. давлением, в принципе, можно бесконечно долго. Принципиально достижимые значения динамич. Д. в. не ограничены (благодаря фундам. свойству вещества - его инерционности), однако время их действия вследствие возникновения волн разрежения, движущихся со скоростью звука от свободных поверхностей ударно-сжатого тела, ограничено. Ударные волны сжатия движутся со скоростью, большей скорости звука в исходном веществе и меньшей, чем в ударно-сжатом. Поэтому волны разрежения догоняют фронт ударной волны и уменьшают давление в нём. По этой причине в реальном эксперименте удаётся поддерживать состояние с Д. в. лишь в течение неск. мкс и меньше (напр., при генерации ударных волн при лазерном воздействии).

Несмотря на кратковременность действия динамич. Д. в. разработаны исключительно прецизионные методы диагностики ударно-сжатого состояния. Законы сохранения массы и импульса связывают механич. параметры ударной волны: скорость волны D, скорость движения вещества за фронтом и, давление р и сжимаемость . Поэтому, чтобы определить их, достаточно два из них измерить экспериментально. Обычно измеряют D и и. При этом с помощью совр. осциллографов высокого разрешения и скоростных фоторегисторов достигают точности измерений в доли процента. Для умеренных интенсивностей ударных волн разработаны методы прямого определения р (пьезодатчики) и (импульсная рентгеноскопия). Точность в этом случае не выше неск. процентов. Темп-pa определяется оптич. методом (в прозрачных средах), а также методом термопар. Точность определения темп-р значительно ниже, чем значений механич. параметров ударной волны.

В науч. исследованиях динамич. Д. в. применяются для изучения свойств веществ в разл. агрегатных состояниях. При этом достигаются такие состояния, к-рые недоступны для др. методов (давления до тысяч ГПа, магн поля до десятков млн. эрстед и т. д.). Помимо ур-ния состояния, в экспериментах с динамич. Д. в. исследуются оптич., магн. и электрич. характеристики материалов. Известны работы, в к-рых для изучения свойств твёрдых тел в условиях динамич. Д. в. применяются импульсная рентгенография материалов и вынужденное Мандельштама - Бриллюэна рассеяние. В силу кратковременности действия ударной волны и особенно вследствие огромных скоростей сжатия вещества во фронте ударной волны в среде могут возникать сильно неравновесные состояния. Исследование в этих условиях разл. релаксац. процессов (хим. реакций, полиморфных переходов и др.) показало, что ударно-волновое воздействие следует рассматривать как новый тип воздействия на среду, т. к. часто оно приводит к результатам, к-рые либо трудно, либо невозможно получать др. способами. Так, дипольные молекулы под действием ударного фронта ориентируются по ходу волны. Этот эффект в условиях статич. Д. в. невозможен. Под действием ударных волн осуществляются разл. хим. реакции, при этом образуются продукты, специфические только для ударно-волнового воздействия. Напр., ароматич. соединения в слабых ударных волнах [(11415)*10³ атм, темп-pa 1004200⁰C] претерпевают частичное разложение с разрушением бензольного кольца. Эта атермич. деструкция обусловлена неравновесным состоянием вещества в зоне ударного сжатия. В статич. условиях при таких же значениях давлений и темп-ры эти соединения не разлагаются совсем, при нормальных давлениях и высоких темп-pax разлагаются с сохранением бензольного кольца, при дальнейшем росте темп-ры (до 2000 ⁰C) происходит их полная графитизация. Под действием ударных волн мн. вещества претерпевают полиморфные переходы со скоростью распространения ударной волны, с такими же скоростями осуществляются реакции полимеризации нек-рых мономеров. Причём полимеризация идёт без катализаторов и часто с образованием необычных продуктов.

Ударное сжатие не является гидростатическим. С макроскопич. точки зрения, воздействие ударной волны любой интенсивности является одноосным, однако одноосное сжатие реализуется только в ударных волнах, интенсивность к-рых не превышает динамич. предела текучести В более сильных волнах вещество сжимается объёмно. Переход от одноосного сжатия к объёмному в газодинамич. отношении является аналогом полиморфного превращения и так же, как последнее, носит релаксац. характер. Различие здесь состоит только в том, что при полиморфном превращении осуществляется переход в новую кристаллич. структуру, а при потере телом прочности - в исходную, но с меньшими параметрами. При переходе к объёмному сжатию во фронте волны в огромном кол-ве генерируются разл. типа дефекты, а хрупкие материалы дробятся до частиц микронных размеров. В противоположность дроблению в мельницах, когда дефектность частиц, как правило, уменьшается, при дроблении ударной волной дефектность возрастает, если, конечно, интенсивность ударной волны была не слишком высокой. Под действием сильных ударных волн остаточная темп-ра может оказаться выше темп-ры рекристаллизации, и тогда дефектность частиц, естественно, уменьшается.

После сжатия вещество с большой скоростью адиабатически охлаждается в волне разрежения. Скорость охлаждения достигает 10⁹ К/с и более. Благодаря этому удается получать метастабильные в нормальных условиях соединения и сплавы. Так, напр., в динамич. Д. в. получен сплав W с Mn (темп-pa плавления W составляет 3380 ⁰C, a Mn кипит при 2200 ⁰C), к-рый др. способами получить не удавалось.

Динамич. Д. в., создаваемые взрывом BB, применяются в стр-ве и горном деле, для сварки, резки, упрочнения, штамповки, снятия напряжений в сварных швах, прессования и т. д. С помощью Д. в. синтезируется значит. кол-во алмазов и алмазоподобных модификаций нитрида бора. Дальнейшее детальное изучение структуры ударных волн в разл. средах позволит направленно использовать особенности ударно-волнового воздействия для исследований механизма физ--хим. процессов ударного сжатия и разл. применений.

Лит.: Зельдович Я. Б., Pайзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, M., 1963; Кормер С. Б., Оптические исследования свойств ударно сжатых конденсированных диэлектриков, "УФН", 1968, т. 94, с. 641; Действие излучения большой мощности на металлы, M., 1970; Дерибас А. А., Физика упрочнения и сварки взрывом, 2 изд., Новосиб., 1980.

A. H. Дремин.

   <<      Предметный указатель      >>