Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Давление высокое, или высокое давление, в широком смысле — давление, превышающее атмосферное; в конкретных технических и научных задачах — давление, превышающее характерное для каждой задачи значение. Столь же условно встречающееся в литературе подразделение давления высокого на высокие и сверхвысокие. Длительно действующее давление высокое называют статическим, кратковременно действующее — мгновенным или динамическим. В покоящихся газах и жидкостях высокое давление является гидростатическим: на любую свободную поверхность, граничащую со сжатой средой, действуют только нормальные напряжения, величина которых не зависит от ориентировки поверхности и (с точностью до давления, обусловленного собственным весом сжатой среды) одинакова во всём объёме. Твёрдые тела обладают конечным сопротивлением сдвигу (в жидкостях при достаточно медленном нагружении оно равно нулю), поэтому напряжённое состояние твёрдого тела определяется как нормальными, так и касательными напряжениями (напряжениями сдвига). При сжатии твёрдой среды в ней возникает сложная система механических напряжений, которые в общем случае изменяются от одной точки тела к другой. Средним давлением (средним нормальным напряжением) в данной точке тела называется среднее арифметическое значение нормальных напряжений в трёх взаимно перпендикулярных направлениях.

Перепад среднего давления в сжимаемом теле и напряжения сдвига вносят известную неопределённость в экспериментально определяемые значения высокого давления в твёрдом веществе; высокое давление в этом случае называют квазигидростатическим. Чем меньше величина напряжений сдвига по сравнению со средним нормальным напряжением, тем ближе квазигидростатическое высокое давление к гидростатическому. Термин «Давление высокое» употребляется для обозначения как гидростатического, так и квазигидростатического давления. В физике в качестве единицы высокого давления применяют обычно килобар (1 кбар = 108 н/м2 1019,7 кгс/см2).

Рис. 1. Границы областей существования некоторых минералов. Над чертой даны названия фаз высокого давления, под чертой — фаз низкого давления. М — поверхность Мохоровичича под континентами.

Рис. 1.
Границы областей существования минералов.

Рис. 2. Экспериментально освоенный диапазон давлений и температур: I — прессование в промышленности; II — гидро—термальные процессы; III — гидростатические давления (в газах и жидкостях); IV — диапазон давлений, освоенный к 1950—м гг. (Бриджмен); V — статические давления (до 200 кбар) при высоких температурах (к 1970—м годам); VI — статические давления (до 300 кбар) при сверхнизких температурах; VII — давления, создаваемые ударными волнами (до ~ 104 кбар при температурах свыше 3000° С); VIII — cтатические давления (до ~ 500 кбар) при комнатной температуре.

Рис. 2.
Освоенный диапазон
давлений и температур.

Рис. 3. Зависимость относительной плотности (δ = ρ/ρ<sub>0</sub>) газообразного азота от давления р, где ρ<sub>0</sub> — плотность при 1 am и 0°С.

Рис. 3.
Зависимость относительно плотности от давления.

Рис. 4. Зависимость относительного объёма жидкости от давления.

Рис. 4.
Зависимость относительного объёма жидкости от давления.

В природе статические высокие давления существуют в первую очередь благодаря действию тяготения (гравитации). Гравитационное поле Земли создаёт в горных породах статическое давление, изменяющее от атмосферного в поверхностных слоях до ~ 3,5•103 кбар в центре планеты. Большая часть Земли находится под действием статического высокого давления и высоких температур, достаточных для изменения физических и химических свойств минералов и минерального состава горных пород (рис. 1). Статическое высокое давление в центре Солнца составляет ~ 107 кбар, а в центре звёзд белых карликов оно предполагается равным 1010—1012 кбар. Динамическое высокое давление в природных условиях возникает при взрывах, падении метеоритов, вулканической деятельности и тектонических движениях. В технике высокое давление до 3 кбар были получены при сгорании пороха в огнестрельном оружии ещё в 13—14 веках. Статические высокие давления такого же порядка были достигнуты с помощью насосов и прессов только во 2-й половине 19 века.

Значительно усовершенствовались методы получения высокого давления в 20 веке, в частности в результате работ П. У. Бриджмена. Особенно широко исследования при высоком давлении развернулись после 2-й мировой войны. В СССР центром исследований при статическом высоком давлении является Институт физики высоких давлений АН СССР (см. Физики высоких давлений институт). Благодаря развитию техники высокого давления, опирающейся на успехи машиностроения и металлургии, а также на достижения в создании и применении взрывчатых веществ, к концу 1960-х годов получены статические высокие давления до ~ 2•103 кбар и динамические до 104 кбар (рис. 2), а при подземных взрывах до ~3•104 кбар.

Область применений высокого давления очень широка. В сочетании с высокой температурой высокое давление используются в металлургии (прокатка, ковка, штамповка, горячее прессование), в керамическом производстве, при синтезе и обработке полимеров и в других отраслях промышленности. При высоком давлении синтезируют вещества и осуществляют химические реакции, которые в иных условиях затруднены или невозможны, например синтез аммиака (до 1 кбар, 400°C), синтез метилового спирта (до 0,5 кбар, 375°C), гидрогенизация углей (до 0,7 кбар, 500°C) и др. Большое промышленное значение имеет гидротермальный синтез крупных и совершенных кристаллов кварца (~1 кбар, несколько сотен град.), применяемых как сырьё для оптических изделий и пьезоэлектрических датчиков.

Интерес к физике и химии высокого давления стимулируется потребностями современной техники в материалах со специальными свойствами (в частности, абразивных, полупроводниковых и др.), а также потребностями в создании прогрессивных методов обработки металлов (см., например, Прессование). Многие направления исследований при высоком давлении определяются интересами теории твёрдого тела и геофизики, развитие которых связано с получением новых экспериментальных данных о свойствах веществ при сжатии их до состояний с высокой плотностью.

К наиболее известным достижениям физики и химии высокого давления 2-й половине 20 века в области статических давлений относится имеющее большое научное и практическое значение искусственное получение алмаза (выше 50 кбар и 1400°C), синтез боразона (выше 40 кбар и 1400°C) — соединения, по твёрдости близкого к алмазу, а также получение плотных кристаллических модификаций кремнезёма (5102) — коусита (от 35 кбар и 750°C и выше) и стишовита (от 90 кбар, 600°C и выше), представляющих большой интерес для наук о Земле. В области динамического высокого давления — мирное и военное использование взрыва, исследование изменения плотности и фазовых переходов в ряде веществ при высоком давлении и температурах, недоступных статическим высоким давлениям. Поведение веществ в условиях высокого давления. Непосредственным результатом действия высокого давления является сжатие вещества (увеличение его плотности). Под высоким давлением энергетически выгодным становится то направление физических и химических процессов, которое ведёт к уменьшению объёма всех взаимодействующих веществ (при условии сохранения их массы, см. Ле Шателье — Брауна принцип).

Давление высокое влияет и на скорость (кинетику) физических и химических процессов, причём высокое давление может их как ускорять, так и замедлять. Ускорение некоторых химических реакций наблюдается, например, в газах (благодаря увеличению частоты столкновений между молекулами в результате увеличения плотности), а замедление, например, некоторых фазовых превращений — в сплавах (из-за уменьшения скорости диффузии, уменьшения равновесной концентрации вакансии и т. д.). Поэтому многие практические важные процессы при высоком давлении проводятся при высокой температуре, которая увеличивает подвижность частиц и тем самым ускоряет достижение равновесного состояния.

При сжатии вещества действующие на него извне силы давления совершают механическую работу и увеличивают тем самым энергию тела — внутреннюю, если не происходит теплообмена с окружающей средой (изоэнтропийный процесс, сопровождающийся нагреванием тела), или свободную, если температура сжимаемого тела не меняется (изотермический процесс). На практике к изотермическим часто относят процессы статического сжатия, при которых температуру тела можно считать постоянной. Если в результате сжатия температура тела повышается, то в нём развивается большее давление, чем при изотермическом сжатии (при одинаковых начальных условиях и одинаковой степени сжатия, то есть относительной плотности).

Давление в газах имеет тепловое происхождение: оно связано с передачей импульса находящимися в тепловом движении молекулами (при их столкновениях). В конденсированных фазах (жидкостях, твёрдых телах) различают упругую и тепловую составляющие высокого давления. Первая, называемая «холодным» давлением (px), связана с упругим взаимодействием частиц при уменьшении объёма тела, а вторая — с их тепловым движением, обусловленным повышением температуры при сжатии. При статическом сжатии тепловая составляющая много меньше упругой, при сжатии в сильной ударной волне обе составляющие сравнимы по величине, их сумму называют «горячим» давлением (pr).

Рис. 5. Зависимость относительного объёма твёрдых тел от давления.

Рис. 5. Зависимость относительного объёма твёрдых тел от давления.

Рис. 6. Изменение плотности некоторых металлов при ударном сжатии.

Рис. 6. Изменение плотности металлов при сжатии.

Рис. 7. Зависимость атомных объёмов V элементов (в см<sup>3</sup>/г—атом) от порядкового номера Z: а — при нормальных условиях; б — при давлении 1 Мбар; в — вычисленные данные для 10 Мбар.

Рис. 7. Зависимость атомных объёмов элементов от порядкового номера.

Рис. 8. Зависимость вязкости жидкостей от давления при комнатной температуре.

Рис. 8. Зависимость вязкости жидкостей от давления.

Уменьшение межатомных (межмолекулярных) расстояний при сжатии приводит в конечном счёте к деформации молекул и внешних электронных оболочек атомов, к изменению характера межатомных взаимодействий, что неизбежно сказывается на физических и химических свойствах вещества. Например, при статическом сжатии в пределах нескольких кбар или первых десятков кбар изменяются условия взаимной растворимости газов (см. Растворы); плотность газов сравнивается с плотностью жидкостей, жидкости затвердевают (при комнатной температуре и давлении до 30—50 кбар); многие кристаллические вещества испытывают превращения с образованием новых кристаллических форм (полиморфные превращения); наблюдаются переходы твёрдых диэлектриков и полупроводников в металлическое состояние и т. д.

Когда плотность вещества становится в 10 и более раз выше плотности твёрдых тел при нормальных условиях, что соответствует давлению ~ 1012 кбар, зависимость плотности r от «холодного» давления приближается к предельной и для всех веществ оказывается одинаковой: ρ5/3~px. В принципе, при столь высоких давлениях ядра полностью ионизованных атомов могут сближаться и, преодолев потенциальный барьер, вступать в ядерные реакции. При достаточно высоких давлениях, но температурах ниже температуры вырождения вещество переходит в вырожденное состояние, при котором энергия и давление не зависят от температуры (см. Вырожденный газ, Вырождения температура). Ниже описываются некоторые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел в экспериментально доступном диапазоне высокого давления. При давлении высоком до 30—50 кбар исследуются вещества во всех агрегатных состояниях. При больших высоких давлениях главным объектом физических исследований является твёрдое тело.

Физические свойства индивидуального вещества в твёрдом состоянии могут быть разделены на три основные группы. К 1-й группе относят свойства, связанные с так называемыми явлениями на молекулярном уровне: движением атомов (молекул), точечных дефектов в кристаллах, дислокаций и так далее. Этими явлениями определяются, например, диффузия, фазовые переходы, разрушение под действием механических нагрузок и ряд других физических свойств твёрдого тела. Ко 2-й группе относят свойства, определяемые характером основного (невозбуждённого — см. Твёрдое тело) состояния кристалла, то есть взаимным расположением атомов, средним расстоянием между ними и колебаниями кристаллической решётки при абсолютном нуле температуры: упругость, сжимаемость, электропроводность металлов, ферромагнетизм. К 3-й группе — свойства, связанные в первую очередь с видом возникающих в твёрдом теле элементарных возбуждений — квазичастиц (фононов, экситонов и др.) и их взаимодействием (например, зависимость сжимаемости, электропроводности, магнитных эффектов от температуры, магнитного поля, электромагнитного излучения и других внешних параметров). Теоретическое описание последней группы свойств возможно лишь для тел, имеющих температуру, близкую к абсолютному нулю, поэтому большое значение имеют опыты при высоком давлении и сверхнизких температурах. Микроскопическая теория влияния высокого давления на первые две группы свойств развита недостаточно, но имеется довольно обширный экспериментальный материал.

На рис. 3—6 приведены зависимости от давления объёма (плотности) веществ в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. После снятия высокого давления первоначальный объём газов, жидкостей и твёрдых тел (не содержащих пор и посторонних включений) восстанавливается. Свойство тел обратимо изменять свой объём под давлением называется сжимаемостью или объёмной упругостью. Сжимаемость обусловлена действием межатомных сил и поэтому является важнейшей характеристикой вещества. Наибольшей сжимаемостью обладают газы. Плотность газов под высоким давлением в 10 кбар увеличивается в сотни раз (при комнатной температуре), жидкостей в среднем на 20—30%, твёрдых тел — на 0,5—2%. С ростом давления сжимаемость уменьшается — кривые на графиках становятся более пологими. При 30—50 кбар сжимаемость большинства исследованных жидкостей различается не более чем на 10% и приближается (при не очень высоких температурах) к сжимаемости твёрдой фазы. Наименее сжимаемы вещества с наиболее сильной межатомной связью (например, алмаз, а из металлов — тугоплавкие иридий и рений) (рис. 5, 6). При наибольшем достигнутом динамическом высоком давлении (~3(104 кбар) плотность железа и свинца увеличивается соответственно в 2,5 и 3,3 раза. Простые вещества (химические элементы), имеющие больший атомный объём, имеют и большую сжимаемость. Атомный объём является периодической функцией атомного номера Z элемента (см. Атом). Поэтому с ростом давления периодичность зависимости атомного объёма (и сжимаемости) от Z сглаживается (рис. 7), что отражает изменение строения внешних электронных оболочек атомов и свидетельствует об изменении физических и химических свойств элементов под высоким давлением.

Увеличение плотности и уменьшение сжимаемости вещества под высоким давлением приводит к росту скорости упругих волн (скорости звука): у металлов, ионных кристаллов при 10 кбар — на несколько процентов, у газов — в несколько раз. При динамическом высоком давлении в несколько тысяч кбар скорость упругих волн в металлах возрастает примерно в 2 раза. С увеличением плотности газов и жидкостей растет их вязкость. В отличие от большинства других свойств, зависимость вязкости от давления имеет положительную производную: при последовательном росте высокого давления на определённую величину увеличение вязкости возрастает (рис. 8).

Рис. 9. Фотографии образцов стали, разорванных при осевом растяжении в условиях различных гидростатических давлений в жидкости, окружающей образец (а — атмосферное давление; б — 8,5 кбар; в — 16,5 кбар). Уменьшающаяся от а к в площадь поверхности разрыва указывает на увеличение пластичности стали с ростом давления.

Рис. 9.
Образцы стали.
Осевое растяжение в жидкости.

Рис. 10. Изменение объёма (плотности) некоторых простых веществ при полиморфных переходах. Величина вертикальной ступеньки на каждой кривой соответствует изменению объёма при переходе.

Рис. 10.
Изм. объёма простых веществ при полиморфных переходах.

Рис. 11. Изменение относительного электрического сопротивления металлов, испытывающих полиморфные переходы при высоких давлениях. Шкала 0—2,0 — для Bi, Pb; шкала 0—5 — для Ba, Fe; шкала 0—100 — для Rb, Ca, Cs.

Рис. 11.
Элект. сопрот. металлов. Полиморфные переходы при высоких давлениях.

Рис. 12. Фазовая диаграмма железа. Показаны области существования кристаллических модификаций железа (α,δ,γ и ε) и строение соответствующих элементарных ячеек.

Рис. 12.
Фазовая диаграмма
железа.

У кристаллических тел высокое давление увеличивает пластичность: при одноосном растяжении (сжатии) разрушение наступает, как правило, после большей деформации, чем при атмосферном давлении. Характер излома малопластичных металлов под высоким давлением меняется от хрупкого к вязкому (рис. 9), несколько увеличивается и прочность. Это объясняется тем, что высокое давление способствует залечиванию дефектов строения (микротрещин и др.) в процессе пластического деформирования кристаллических тел. При сдвиге под высоким давлением у металлов и ионных кристаллов с ростом давления наблюдается рост сопротивления сдвигу (например, y NaCI в интервале 10—50 кбар примерно в 3,3 раза), а у горных пород и стекол наблюдаются разупрочнение, потеря сплошности и другие явления. Резкое изменение физических свойств, например плотности (рис. 10) или электрического сопротивления (рис. 11), наблюдается у твёрдых тел при фазовых переходах под высоким давлением (полиморфных превращениях, плавлении).

Из двух кристаллических модификаций одного и того же вещества большей плотностью обладает модификация, устойчивая при более высоком давлении. Разница в плотности двух модификаций может достигать 30—40%, но в большинстве случаев она меньше. В отличие от плотности, электрическое сопротивление металлов при полиморфных переходах может как уменьшаться, так и возрастать. Скачки электрического сопротивления некоторых металлов (например, Bi и Ba, см. рис. 11) при полиморфных переходах используются для градуировки аппаратуры высокого давления (см. ниже). Обычно при снижении высокого давления происходит обратное превращение и вещество возвращается в менее плотную модификацию. Методом рентгеновского структурного анализа установлено, что, как правило, под высоким давлением образуются структуры, известные для других элементов и соединений при нормальных условиях. Многие полиморфные превращения осуществляются при совместном воздействии высокого давления и высоких температур. В этих случаях более плотную модификацию часто удаётся сохранить в нормальных условиях, применив закалку под высоким давлением. Для этого сначала резко снижают температуру, а затем давление (до атмосферного). Закалкой пользуются, в частности, при синтезе алмаза, боразона, многих минералов.

По экспериментальным данным о давлении фазовых переходов при различных температурах строят так называемые фазовые диаграммы, изображающие области стабильности кристаллических модификаций и расплава индивидуальных веществ (рис. 12). температура плавления (Тпл) большинства веществ возрастает с давлением (рис. 13). У NaCI и KCl, которые при атмосферном давлении плавятся при температуре около 800°C, при динамическом сжатии плавление наблюдалось при 3200°C (540 кбар) и 3500°C (330 кбар) соответственно. Весьма значительно повышение температуры плавления с давлением у органических веществ; у бензола, например, при атмосферном давлении Тпл = 5°С, а при 11 кбар Тпл = 200°C. Известны так называемые аномальные вещества (H2O, Bi, Ga, Ge, Si и др.), у которых Тпл в определённом интервале высокого давления понижается с ростом давления, так как жидкая фаза у этих веществ плотнее соответствующей ей кристаллической модификации. После полиморфного перехода с образованием более плотной кристаллической модификации ход кривой плавления этих веществ становится нормальным (у воды, например, выше 2 кбар, у Bi ~ 18 кбар).

Электрическое сопротивление ряда металлов под высоким давлением уменьшается (у Со, Ag, A1 и др. на 15—20% при 100 кбар, см. рис. 14). Качественно это объясняется уменьшением амплитуды колебаний атомов в кристаллической решётке и соответствующим уменьшением рассеяния решёткой электронов проводимости. У щелочных, щёлочноземельных, редкоземельных металлов зависимость электрического сопротивления от высокого давления сложнее (см. рис. 11), что обусловлено изменением под действием давления формы Ферми поверхности и перекрытием энергетических зон твёрдого тела. У полупроводников и диэлектриков при высоком давлении появляется характерная для металлов высокая электропроводность (электроны благодаря перекрытию энергетических зон переходят из так называемой валентной зоны в зону проводимости). Изменение типа проводимости может носить как постепенный (под при 160—240 кбар), так и резкий характер (селен около 130 кбар). Тенденция к переходу в металлическое состояние является, по-видимому, общей для всех веществ при достаточно высоких давлениях. Например, у серы переход в металлическое состояние наблюдается при 200 кбар, для водорода вычисленное значение высокого давления появления металлической проводимости составляет ~(1—2)·103 кбар, для гидрида лития ~(25—30)·104 кбар, гелия ~9·104 кбар. Иногда смещение энергетических зон в определённом интервале давлений вызывает обратный эффект, например металлический иттербий в интервале 20—40 кбар ведёт себя как полупроводник, а при дальнейшем повышении давления высокого испытывает полиморфный переход с образованием новой металлической модификации.

Электронная структура твёрдых тел под высоким давлением исследуется также оптическими метолами и методами, использующими ряд тонких физических эффектов (см. Холла эффект, Циклотронный резонанс, Мёссбауэра эффект). Сведения об электронном строении металлов и взаимодействии электронов с фонолами под высоким давлением дают также исследования сверхпроводимости. Температура перехода металлов и сплавов в сверхпроводящее состояние под действием высоким давлением изменяется: понижается у всех непереходных металлов (например, у Sn, In, AI, Cd, Zn) и повышается у ряда переходных металлов (Nb, V, Ta, La, U и др.) и некоторых сплавов. Некоторые простые вещества (Si, Ge, Te, Se, Р), не относящиеся к сверхпроводникам при атмосферном давлении, имеют при высоком давлении сверхпроводящие модификации. Образование таких модификаций у Si, Ge, Te (полупроводников в нормальных условиях) происходит, соответственно, при 120, 115 и 45 кбар. К наиболее известным магнитным эффектам высокого давления относится сдвиг температуры превращения ферромагнетика в парамагнетик (Кюри точки, рис. 15). Способы создания давления высокого. Динамические высокие давления получают с помощью взрыва, искрового разряда, импульсного изменения магнитного поля и главным образом инерционных методов — торможения сжимаемым телом другого тела, летящего с большой скоростью.

При резком и значительном смещении поверхности тела, вызванном одним из этих способов, возникает ударная волна. Ударное сжатие сопровождается значительным разогревом вещества: температура поваренной соли и свинца, сжатых до 1000 кбар, составляет -~9·103°C, а меди и вольфрама, соответственно, 1500 и 750°C. При неограниченном возрастании давления степень сжатия за фронтом ударной волны не превосходит некоторого предельного значения (для металлов 5—7 в зависимости от температуры). Это обусловлено ростом давления в основном за счёт его «тепловой» составляющей. В изотермическом и изоэнтропийном процессах этого ограничения нет. Путём динамического сжатия можно достигать высокого давления в несколько десятков раз большего, чем статическими методами. Однако время действия динамических давлений ограничивается тысячными долями секунд, тогда как в случае статического высокого давления его можно удерживать в течение часов и даже дней при заданном температурном режиме.

Статические высокое давление получают механическими или тепловыми методами. В первых используют: а) насосы и компрессоры, которыми сжимаемое вещество (жидкость или газ) нагнетается в замкнутый объём или проточную систему; известны конструкции гидравлических компрессоров на давления до 16 кбар; б) аппараты, в которых масса сжимаемого вещества остаётся постоянной (или почти постоянной), а объём, занимаемый этой массой, уменьшается под действием внешних сил; аппараты этого типа позволяют получать максимальные (до ~ 2·103 кбар) статические давления, принцип их действия весьма прост: большая сила, создаваемая обычно гидравлическим прессом, сосредоточивается на малой площади, на которой и развивается высокое давление (см. рис. 16). В установках по схеме рис. 16, а (типа «цилиндр — поршень») высокое давление создаётся в цилиндре, в который под действием внешней силы вдвигается поршень. В таких аппаратах для передачи высокого давления можно применять твёрдые тела, жидкости и газы. Предел применимости аппаратов типа, изображенного на рис. 16, а, ограничивается прочностью материала поршней из твёрдых сплавов и составляет ~50 кбар.

Давление высокое, превосходящее предел прочности конструкционных материалов, достигается применением ряда способов усиления конструкций: 1) поддержкой всей установки или наиболее нагруженных её элементов сжатым пластичным веществом или жидкостью; 2) созданием системы напряжений сжатия в поршнях за счёт упругой деформации сосуда, который в свою очередь скрепляется набором напрессованных снаружи колец; 3) уменьшением напряжений в стенках сосуда делением их на секторы (многопуансонные установки, в которых подвижные пуансоны являются одновременно стенками камеры, рис. 16, б — е). Комбинация способов 1) и 2) позволяет повысить высокое давление в аппаратах с цилиндрическими поршнями до 70— 100 кбар.

В аппаратах с коническими или пирамидальными пуансонами реализуются все три способа. Высокое давление создаётся в них сближением 2,3,4,6 и более пуансонов, которые смыкаются под углом к направлению действия силы. В этих аппаратах для передачи давления используют известняк, тальк, бор и другие твёрдые вещества. На установках такого типа проводились измерения оптического поглощения (через алмазные пуансоны) до 160—170 кбар, эффекта Мёссбауэра до ~ 250 кбар, сжимаемости (рентгеноструктурным методом) и электропроводности до 500 кбар. В двухступенчатых многопуансонных аппаратах было получено статическое давление около 2•103 кбар, при котором исследовались необратимые изменения плотности стекол. В камерах с твёрдой сжимаемой средой высокое давление определяется либо расчётным путём (в камерах по схеме 16, а), либо с помощью градуировки (в более сложных камерах). Градуировка заключается в установлении зависимости давления в сжатой среде от усилия, приложенного к пуансонам. Градуировка может, например, производиться по скачкам электрического сопротивления, сопровождающим полиморфные переходы в некоторых металлах. Задача градуировки камер пока полностью не решена.

Рис. 13. Зависимость температуры плавления металлов от давления.

Рис. 13.
Зависимость температуры плавления металлов от давления.

Рис. 14. Зависимость относительного электрического сопротивления R/R<sub>0</sub> металлов от давления. Значения R/R<sub>0</sub> отложены по вертикальной оси (R<sub>0</sub> — электрическое сопротивление при нормальном давлении, R — при высоком давлении).

Рис. 14.
Завис. относ. элек. сопротивления металлов от давления.

Рис. 15. Изменение температуры Кюри под давлением у различных магнитных материалов: 1 — (MnZn)Fe<sub>2</sub>O<sub>4</sub>, 2 — La<sub>0</sub>, <sub>75</sub> Sr<sub>0</sub>, <sub>25</sub>MnO<sub>3</sub>, 3 — Ni, 4 — сплав Ni—Cu (67%Ni), 5 — алюмель (94%Ni), 6 — Cd, 7 — сплав Fe — Ni(64%Fe), 8 — сплав Fe — Ni(70%Fe).

Рис. 15.
Изм. темпер. Кюри под давлением у магнитных материалов.

Рис. 16. Схемы аппаратов высокого давления: а — аппарат «цилиндр — поршень»; б — «наковальни» Бриджмена; в — установка с коническими пуансонами; г — «наковальни», погруженные в пластичную среду, сжатую до меньшего давления; д и е — «тетраэдрическая» и «кубическая» установки (пуансон, обращенный к зрителю, не изображен); отдельно показана форма сжимаемого тела; 1 — пуансон (поршень); 2 — сосуд высокого давления; 3 — сжимаемый образец; 4 — среда, передающая давление. Стрелками показаны направления действия сил.

Рис. 16.
Схемы аппаратов
высокого давления.

В твёрдой среде температуры до +1500—3000°C в стационарном режиме и более высокие — в импульсном режиме создаются с помощью внутренних электрических нагревателей (сопротивления). Для получения температур от — 196 до 400 °С применяются наружные нагреватели и холодильники, а в случае более низких температур — криогенная техника. Оптические исследования осуществляют через окна, изготовленные из материалов, прозрачных в определённой части спектра: алмаза, сапфира, хлористого натрия — в оптическом диапазоне; алмаза, бериллия — в рентгеновской области. Рентгеновское и гамма-излучение может быть пропущено (в камерах по схеме 16, б) также через зазоры между пуансонами.

В аппаратах, основанных на тепловых методах, высокое давление создаётся либо повышением давления в газах или жидкостях при их нагревании в замкнутом сосуде (в отдельных установках достигнуты высокие давления в газах до 30—40 кбар), либо в результате расширения «аномальных» (см. выше) жидкостей при затвердевании. Сжимаемое тело окружают жидкостью, охладив которую до затвердевания в замкнутом объёме, получают фиксированное высокое давление (в случае воды, например, около 2 кбар).

Бриджмен П. В., Физика высоких давлений, пер. с англ., М. — Л., 1935; его же. Новейшие работы в области высоких давлений, пер. с англ., М., 1948; его же, Исследования больших пластических деформаций и разрыва, пер. с англ., М., 1955; Верещагин Л. Ф., Физика высоких давлений и искусственные алмазы, в сборнике: Октябрь и научный прогресс, кн. 1, М., 1967, с. 509; Верещагин Л. Ф., Ицкевич Е. С. и Яковлев Е. Н., Физика высоких давлений, в сборнике: Развитие физики в СССР, кн. 1, М., 1967, с. 430: Дремин А. Н., Бреусов О. Н., Процессы, протекающие в твёрдых телах под действием сильных ударных волн, «Успехи химии», 1968, т. 37, в. 5; Альтшулер Л. В., Баканова А. А., Электронная структура и сжимаемость металлов при высоких давлениях. там же, 1968, т. 96, в. 2; Циклис Д.С., Техника физико-химических исследований при высоких давлениях, 2 изд., М., 1958; Рябинин Ю. Н., Газы при больших плотностях и высоких температурах, М., 1959; Гоникберг М. Г., Высокие и сверхвысокие давления в химии, 2 изд., М., 1968; Современная техника сверхвысоких давлений, пер. с англ., М., 1964; Пол В., Варшауэр Д. [ред.]. Твердые тела под высоким давлением, пер. с англ., М., 1966;

Бранд Н. Б., Гинзбург Н. И., Сверхпроводимость при высоких давлениях, «Успехи физических наук», 1969, т. 98, в. 1; Жарков В. Н., Калинин В. А., Уравнения состояния твёрдых тел при высоких давлениях и температурах, М., 1968; Кормер С. Б., Оптические исследования свойств ударносжатых конденсированных диэлектриков, «Успехи физических наук», 1968, т. 94, в. 4.

Добавить комментарий