In dieser Arbeit werden folgende Arbeiten vorgestellt:
● Aufbau eines Schockwellenlabors für unterschiedliche Einsatzzwecke für eine Nettoexplosivmasse von bis zu 20 kg, bezogen auf NSH 711 (C4 nach MIL-Standard),
● Klärung der Ursachen des Probenverlustes bei Schockwellensyntheseexperimenten ab Überschreitung eines gewissen materialabhängigen Grenzdruckes unter Verwendung von in der Literatur vorgegebenen Standardmethoden sowie eine wissenschaftlich fundierte Prob-lembehebung auf der Basis empirischer Theorien,
● Berechnung der Zustandsgrößen Druck (p), Temperatur (T) sowie Zeit (t) unter den ge-wählten Versuchsbedingungen für unterschiedliche Problemstellungen und Materialien mit Kontrollmöglichkeiten sowie
● Gewährleistung des maximal möglichen Phasenumwandlungsgrades für die entsprechende Hochdruckphase.
Insgesamt wurden im Verlauf der Entwicklungsarbeiten im Schockwellenlabor 122 Spren-gungen durchgeführt. Die Drücke betragen dabei zwischen 15 GPa und ca. 180 GPa. Es gelangen zahlreiche erfolgreiche Synthesen der Hochdruckphasen gamma-Si3N4 sowie rs-AlN mit Probenmengen von 0,2g bis zu 7,3g Hochdruckphase pro Versuch.
Es wurden auf Basis der Rankine-Hugoniot-Zustandsgleichung drei empirische Grundprinzipien der Schockwellensynthese entwickelt, welche es nunmehr gestatten, die Schockwellenversuche reproduzierbar sowie gut kontrollierbar zu gestalten. Dies sind die „Vermeidung von Mach-Effekten“, die „Impedanzkorrektur der Probeneinheit“ sowie die „Kontrolle der adiabatischen Dekompression“.
In mehr als 100 Experimenten, welche mit der impedanzkorrigierten Probeneinheit durchgeführt wurden, trat in keinem Fall Probenverlust auf, Gasdichtheit konnte teilweise hergestellt werden. Dies war unabhängig von dem erreichten Druck oberhalb des technisch bedingten Mindestdruckes von 15 GPa innerhalb der Probeneinheit möglich.
Es wurden Versuche sowohl mit der Reflektionsmethode als auch mit der Impedanzmethode durchgeführt sowie für besondere Experimente dünne Metallplatten zwischen Flugplatte und Containeroberseite verwendet. In allen genannten Fällen sind die unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen in den Proben eindeutig verifizierbar.
Weiterhin gelang es im Rahmen dieser Arbeit erstmals, sowohl Calciumcarbonat als auch Kaolinit (sogenannte fluidreiche Phasen) bis in den Druckbereich p> 100 GPa unter unterschiedlichen Temperaturen dynamisch zu belasten, ohne dass die empfindlichen Proben Ent-gasungs- bzw. Zerfallserscheinungen (Calcit) bzw. Aufschmelzungen (Kaolinit) aufwiesen.
Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Schocktemperatur zu richten, um den Druckaufbau nicht durch eine zu starke Aufheizung der Probe zu reduzieren (sogenanntes Knudson-Problem). Jede zukünftige Erhöhung des Druckes macht gleichzeitig eine Reduzierung der relativen Schocktemperatur erforderlich.
Diese experimentellen Erfolge sind lediglich in dem Falle möglich, wenn im Schockwellenlabor folgende Grenzbedingungen eingehalten werden:
● Die Schockgeschwindigkeit Us ist größer als die Schallgeschwindigkeit des betreffenden Stoffes.
● Die erzielten Drücke sind höher als das Hugoniot-Elastic-Limit des betreffenden Stoffes und somit im Bereich des plastischen Verhaltens.
● Die maximale Porosität k des Impedanzpulvers ist kleiner als die Mie-Grüneisen-Grenze des betreffenden Stoffes.
● Die maximalen Drücke sind geringer als der Bulk-Modulus des betreffenden Stoffes und die Schallgeschwindigkeit im dichten Medium ist größer als die Schockgeschwindigkeit (Bereich der so genannten „schwachen Schockwellen“).
● Es wird ein Impedanzpulver-Probe-Verhältnis von >9:1 verwendet.
● Weiterhin stellt für die Schockwellensyntheseexperimente unter Vermeidung der freien adiabatischen Dekompression die Schocktemperatur (die Temperatur im Bereich des konstanten Druckes) die ausschlaggebende Größe dar.
Für die Berechnung wurde entschieden, die Software MatLab zu verwenden. Die Berechnungen folgen den Grundlagen der linearen Algebra. Für die Berechnung der Zustandsgleichung wurden im Rahmen dieser Arbeit folgende vereinfachende Annahmen verifiziert:
● Unter den genannten Bedingungen gilt der lineare Zusammenhang zwischen Partikelge-schwindigkeit Up und Schockgeschwindigkeit Us.
● Unter den Bedingungen des Freiberger Schockwellenlabors sind die Unterschiede zwischen der gespiegelten Hugoniot und der release-adiabat-Kurve sehr gering, es kann an deren Stelle die gespiegelte Hugoniot verwendet werden.
● Die maximalen Drücke sind niedriger als der Schmelzpunkt auf der Hugoniot, sämtliche in dieser Arbeit dargestellten Berechnungen betreffen die beteiligten Stoffe im festen Zustand.
Die impedanzkorrigierte Probeneinheit ist nicht zum Messen von Zustandsgleichungen geeignet, die Methoden „vollständige Probenrückgewinnung“ sowie „Messung der Zustands-gleichung“ schließen sich gegenseitig aus.:Motivation 1
1 Einführung 5
1.1 Das Hochdruckforschungszentrum (FHP) der
Dr. Erich-Krüger-Stiftung 5
1.2 Möglichkeiten zur Erzeugung hoher dynamischer Drücke sowie zur Schockwel-lensynthese 24
1.3 Aufgaben des neuen Schockwellenlabors in Freiberg 31
2 Aufbau und Betrieb des neuen untertägigen Schockwellen-
labors der TU Bergakademie Freiberg 35
2.1 Sprengarbeiten unter Bergrecht an einer Hochschule 35
2.2 Rechtliche Situation des Schockwellenlabors an der
TU Bergakademie Freiberg 39
2.3 Lage und Dimensionierung des Schockwellenlabors 47
2.4 Ausrüstung des Labors 51
3. Physikalische Grundlagen 58
3.1 Verwendete Sprengstoffe 58
3.2 Detonation des Sprengstoffes und die Rankine-Hugoniot-
Zustandsgleichung 60
3.2.1 Die Druck-Partikelgeschwindigkeits-Beziehung 64
3.2.2. Die Beziehung zwischen Druck und Differenz der
spezifischen Volumina 66
3.2.3. Die Beziehung zwischen Druck und Differenz der
spezifischen Inneren Energien 67
3.3 Plane-Wave-Generator (PWG) mit Flyer-Plate 69
3.3.1. Aktiver PWG 73 3.3.2. Passiver PWG 73
3.4 Beschleunigung der Flugplatte 74
3.5 Kollision der Flugplatte mit dem Probencontainer 77
3.6 Mie-Grüneisen-EoS und die Berechnung der Schocktemperatur 82
3.7 Verdichtung poröser Materialien 89
3.8 Schockwellenreflektionen 94
3.8.1 Reguläre Reflektionen 95
3.8.1.1 Reflektion an einer freien Oberfläche
sowie adiabatische Dekompression 95
3.8.1.2 Reflektion an einer Materialgrenze 99
3.8.2 Irreguläre Reflektionen (Mach-Effekte) 102
3.9 Impedanzmethode 103
3.10 Reflektionsmethode beziehungsweise „ramp compression“ 107
3.11 Phasenumwandlungen aus schockwellenphysikalischer Sicht 112
4. Detaillierter Aufbau der Versuchsanordnung sowie Funktion
der Einzelbestandteile 115
4.1 Versuchsanordnung 115
4.2 Explosiveinheit mit PWG und Arbeitsladung 116
4.2.1 Plane-Wave-Generator 116
4.2.2 Arbeitsladung 120
4.2.3 Flugplatte 122
4.2.4 Schaumstoffeinlage 123
4.2.5 Distanzring 124
4.2.6 Beschleunigung der Flugplatte 124
4.3. Probeneinheit 127
4.3.1 Probencontainer 129
4.3.2 Cu-Folie 131
4.3.3 Metallpulver und Probe 132
4.3.4 Probenhalter 135
4.3.5 Probenstempel 135
4.3.6 Schraubenboden 136
4.3.7 Stahlronde 136
4.3.8 HARDOX‐Unterlage 137
5. Berechnung der Zustandsgleichungen für die Impedanzmethode
mit Hilfe der Software MatLab 139
5.1 Randbedingungen 139
5.2 Tests der Möglichkeit der Verwendung der getroffenen Annahmen 142
5.2.1 Gültigkeit der linearen Up‐Us‐Relation anstelle
quadratischer Gleichungen 141
5.2.2 Verwendung der gespiegelten Hugoniot anstelle der
adiabatischen Entspannungskurve 144
5.3 Berechnung der Hugoniot-EoS für die Kollision der
Flugplatte mit dem Probencontainer 145
5.4 Berechnung der Kenngrößen „Druck“ und „Dichte“ für das
Metallpulver mit Hilfe der Rankine‐Hugoniot‐EoS 152
5.5 Überprüfung der mit MatLab berechneten Zustandsgrößen 156
5.6 Berechnung der Kenngröße „Schocktemperatur“ für Kupferpulver
im festen Zustand mit Hilfe der Mie‐Grüneisen‐EoS 158
5.7 Erstellen des X‐t‐Diagramms sowie Berechnung der Kenngröße
„Schockdauer“ mit Hilfe linearer Gleichungssysteme 162
6. Empirisch methodische Weiterentwicklungen der
Synthesemethoden 169
6.1 Vermeidung von Mach-Effekten 169
6.2 Impedanzkorrektur der Probeneinheit 173
6.2.1 Zerstörung des Probencontainers infolge ungünstiger
Impedanzverhältnisse 173
6.2.2 Die Impedanzfunktion als zeit- und ortsaufgelöster
Bestandteil der Hugoniot‐EoS 175
6.2.3 Konsequenzen der orts‐ und zeitabhängigen Impedanz-
funktion für die Materialauswahl der Probeneinheit 180
6.3 Die Rolle der adiabatischen Dekompression unter Einbeziehung
zusätzlicher Volumina. 183
7. Anwendungen 197
7.1 Untersuchungen des Microjettings 197
7.2 Reflektionsmethode mit Impedanzkorrigierter Probeneinheit und
gekapseltem Reflektor 207
7.2.1 Versuchsaufbau 207
7.2.2 Testergebnisse 209
7.2.3 Berechnung der Druck‐ und Temperaturbedingungen
für die Reflektionsmethode mit Hilfe der Software MatLab 211
7.2.3.1 Berechnung des p=f(Up)-Diagramms 211
7.2.3.2 Berechnung der Temperatur sowie der
Geschwindigkeiten Up und Us 215
7.3 Halidbasierte Schockwellenbeanspruchung fluidreicher Phasen 222
7.4 Synthese von rs-AlN sowie -Si3N4 222
7.5 Upscaling der impedanzkorrigierten Probeneinheit mit
vollständiger Probenrückgewinnung 223
7.5.1 Versuchsaufbau 223
7.5.2 Ergebnisse 225
8. Schlussfolgerungen 229
9. Danksagung 234
Literaturverzeichnis 235
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:89025 |
| Date | 30 January 2024 |
| Creators | Schlothauer, Thomas |
| Contributors | Heide, Gerhard, Schendler, Thomas, Technische Universität Bergakademie Freiberg |
| Publisher | TU Bergakademie Freiberg |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1088/1742-6596/774/1/012053, 10.1088/1742-6596/653/1/012033, 10.30826/EPNM18-080 |
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