Des chercheurs des laboratoires nationaux Lawrence Livermore, Los Alamos et Sandia se sont associés pour mieux comprendre la force du tantale, un important matériau de développement de plate-forme dans la communauté des trois laboratoires.
Le travail s’appuie sur la compréhension que le tantale reste dans une seule phase solide dans toute la gamme des conditions examinées. Cela inclut les conditions accessibles par le National Ignition Facility à LLNL et la machine Z à Sandia. Bien que le tantale soit nominalement simple, il présente toujours une complexité dans la façon dont les processus à l’échelle atomique dans le matériau manifestent une variabilité de résistance qui s’étend sur près de deux ordres de grandeur.
La recherche, présentée dans Acta Materialia, axé sur la réponse à deux questions : ces diverses expérimentations donnent-elles une image cohérente de la force ? Et, par une analyse intégrée de diverses expériences, les chercheurs peuvent-ils faire progresser la compréhension théorique et la modélisation de la résistance dans des conditions extrêmes ?
Les chercheurs ont utilisé les données de sept types d’expériences différents et ont comparé trois modèles de force indépendants pour explorer la force avec un nouveau degré de comparaison croisée sur un large éventail de conditions. Dans ce cadre, la résistance fait référence à la résistance du matériau à la déformation permanente. Ce type de déformation permanente est souvent discuté en termes de déformation plastique. La vitesse de déformation du matériau – sa vitesse – a également été explorée. Le taux est inversement proportionnel à la durée de l’expérience. Les expériences qui avaient les durées les plus courtes ont sondé les taux de déformation les plus élevés. Les expériences NIF ont accédé aux conditions les plus extrêmes, et les données de force sont collectées sur seulement des dizaines de nanosecondes dans les tirs NIF.
Nathan Barton, chef du groupe de programme pour la physique de la matière condensée au sein du programme de physique et de conception des armes au LLNL et co-auteur du travail, a déclaré que le travail est cohérent avec les grandes missions scientifiques des laboratoires NNSA.
« Le travail s’est appuyé de manière critique sur l’expertise en la matière de tous les laboratoires », a déclaré Barton. « Nous avions besoin d’une expertise à la fois dans la collecte de données et dans les techniques d’analyse pertinentes pour l’ensemble des plateformes expérimentales. »
L’assemblage de l’équipe de trois laboratoires est né de discussions techniques menées par Bruce Remington du LLNL, Rusty Gray du LANL et Dawn Flicker de Sandia. Dana Dattelbaum, qui supervise le domaine de programme concerné au LANL, a décrit le niveau de collaboration des trois laboratoires menant à cet article comme sans précédent.
Dans les applications traditionnelles, les chercheurs ont tendance à penser que la résistance d’un matériau est relativement insensible à la pression et à la vitesse. En examinant la gamme extrême de conditions accessibles sur les plates-formes expérimentales de l’entreprise NNSA, les chercheurs constatent des variations de force de près de deux ordres de grandeur, de 0,15 gigapascal (GPa) à plus de 10 GPa. Un gigapascal correspond à environ 10 000 atmosphères de pression. À titre de point de comparaison utile, un acier à haute résistance peut avoir une résistance d’environ 1 GPa dans des conditions ambiantes et des taux conventionnels. Ainsi, dans la gamme des conditions étudiées, le tantale est passé de beaucoup plus doux à environ 10 fois plus résistant qu’un acier à haute résistance dans des conditions conventionnelles.
« L’aspect unique est le niveau de compréhension que nous avons pu acquérir en jetant un regard unifié sur les données d’une telle gamme de plates-formes expérimentales », a expliqué Barton. « Le travail décrit dans l’article examine les pressions de l’ambiante à plus de 350 GPa, les taux de déformation de 10−3 à 108 par seconde et les températures de 148 à 3 800 Kelvin. »
L’approche intégrée a aidé les chercheurs à isoler les effets de pression et de taux. « Bien qu’il soit gratifiant que nous puissions ajuster les modèles couramment utilisés pour capturer les observations, il est clair que nous avons encore du travail à faire pour bien comprendre et prédire la réponse des matériaux dans une gamme de conditions aussi dramatique », a déclaré Barton.
L’activité de trois laboratoires décrite dans le document est en cours et continue d’être un véhicule précieux pour coordonner l’évaluation des données expérimentales à partir d’une variété de plates-formes expérimentales, y compris les installations phares du DOE telles que le NIF au LLNL, la machine Z à SANDIA et le Secteur Compression Dynamique à la Source de Photons Avancés du Laboratoire National d’Argonne. L’équipe de trois laboratoires a mis l’accent sur l’examen de la résistance des matériaux qui subissent des transformations de phase, et une étape de niveau 2 dans ce domaine vient d’être franchie avec succès. Plusieurs présentations lors d’une conférence de l’American Physical Society cet été présenteront des aspects de ces travaux plus récents, et il y aura des publications supplémentaires de l’équipe tri-lab.
Michael B. Prime et al, Une vaste étude de la résistance du tantale des conditions ambiantes aux conditions extrêmes, Acta Materialia (2022). DOI : 10.1016/j.actamat.2022.117875