Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Проведена верификация компьютерного кода PyMPS, реализующего технологию «движущегося окна». Технология состоит в переходе в систему отсчета, в которой ударная волна покоится. Интерфейс для задания начальных данных написан на языке программирования Python, а вычислительные модули для атомистического (или континуального) моделирования написаны на языке C++. Код может работать в параллельном режиме по технологии «общей памяти». 2. Был разработан программный модуль для задания бездефектных кристаллических наночастиц характерного размера и формы. Модуль написан на языке C++, для задания параметров используется интерфейс на языке Python. Модуль позволяет получать наночастицы в виде многогранников или сфер, вырезанных из кристаллического образца. Предусмотрена возможность формирования кластеров с заданным распределением по размерам. Кластеры сохраняются в файл формата VTK, который можно визуализировать с помощью программы ParaView. 3. Были рассчитаны ударные адиабаты NiAl методом квантовой молекулярной динамики путем численного решения уравнения Гюгонио. Для расчетов использовался программный пакет VASP. Для моделирования ударных адиабат NiAl выбиралась начальная конфигурация атомов, соответствующая кристаллической решетке B2 (типа CsCl). Плотность и удельная внутренняя энергия начального состояния на ударной адиабате бралась из КМД-расчета для кристалла NiAl при давлении 1 атм. Ударные адиабаты пористых образцов NiAl с пористостью (отношение плотности образца к нормальной плотности NiAl) 1.5, 2 и 3 также вычислялись путем численного решения уравнения Гюгонио, в котором вместо плотности начального состояния использовалась плотность пористого образца (так называемый метод Зельдовича). Все расчеты ударных адиабат проведены до давлений 100 ГПа. 4. Выполнен анализ имеющихся молекулярно-динамических потенциалов для системы Ni+Al. Анализ показывает, что все имеющиеся на сегодняшний день потенциалу относятся к классу EAM (так называемые потенциал внедренного атома) или MEAM (модифицированный потенциал внедренного атома). Выполнена программная реализация потенциалов EAM в коде, реализующем технологию «движущегося окна». Также в коде реализована возможность использования машинно-обученных потенциалов MTP (moment tensor potential) и нейросетевых потенциалов взаимодействия, созданных с помощью пакета DEEPMD. С помощью технологии движущегося окна получены стационарные ударные волны, распространяющиеся в смеси кристаллических наночастиц Ni+Al с характерными размерами 5, 10 и 15 нм. Использовались сферические наночастицы. Начальная пористость смеси наночастиц равнялась 1.5. 5. На языке C++ с интерфейсом на языке Python разработан программный модуль для создания кристаллических наночастиц с определенным числом точечных дефектов (вакансий и межузельных атомов). В качестве входных параметров модуля используются концентрации вакансий и примесных атомов. 6. В рамках проведения ударно-волновых экспериментов на установке ВКБ-2, входящей в комплекс «Сфера», модернизирована схема подачи на экспериментальную сборку диагностического излучения четырехканального лазерного интерферометра (КДНИ-532-7). Подготовлена 3D-модель платформы для последующей печати из пластика на 3D-принтере. 7. Для компактирования и последующего исследования ударно-волновым способом был подготовлен материал нанопоршка никеля (nNi). Данный материал был получен на оборудовании ФИЦ ПХФ и МХ РАН левитационно-струйным методом. Для проведения ударно-волновых экспериментов с наноалюминием были изготовлены образцы из коммерчески доступного нанопорошка V-ALEXTM, который был спрессован в атмосфере аргона в диски (таблетки). Исследованные диски имели толщину 1,9-3,15 мм и диаметр 3 см. Их начальная плотность ρ0 варьировалась от 1,698 до 1,899 г/см3 со средним значением 1,83 г/см3. Средняя начальная пористость образцов оказалась около 30%. Средняя продольная скорость звука CL, измеренная ультразвуковым методом, составляла 1,93±0,07 км/с. 8. Проведены ударно-волновые эксперименты с использованием метода соударения пластин на пороховой метательной установке или с помощью подрыва заряда ВВ. Профили ударных волн в виде профилей скорости на поверхностях образцов во время прохождения через них ударных волн сжатия регистрировались с помощью интерферометра VISAR. В рамках первой серии экспериментов c пористым наноразмерным алюминием были получены ударная адиабата, профили ударных волн, и соотношение Суигла – Греди в диапазонах массовых скоростей u_p и давлений p до 0.65 км/c и 2.4 ГПа. Амплитуды предвестника позволили определить динамический предел упругости (предел упругости Гюгонио) p_e – для образцов толщиной 2-3 мм его измеренные значения составили 0.07-0.16 ГПа. Ударная адиабата исследованного материала согласуется с ударной адиабатой микроразмерного алюминия с такой же начальной пористостью.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Выполнено прямое атомистическое моделирование распространения стационарной ударной волны по пористому образцу из наноникеля и наноалюминия с размером наночастиц до 30 нм и различными пористостями. Моделирование выполнялось с помощью компьютерного кода MDcraft, разработанного в рамках проекта. С помощью технологии «движущегося окна» получены стационарные ударные волны, распространяющиеся в смеси кристаллических наночастиц Ni+Al с характерными размерами 5, 10, 15 и 20 нм. Влияние размера наночастиц на ударную адиабату не было обнаружено. Также было выявлено, что ударная адиабата нанопористого Ni-Al, полученная по технологии «движущегося окна», с весьма хорошей точностью описывается моделью Зельдовича, в которой ударная адиабата вычисляется путем решения уравнения Гюгонио, при давлениях выше 20 ГПа. При меньших давлениях прямое моделирование ударной адиабаты довольно хорошо согласуется с экспериментальными данными РФЯЦ-ВНИИЭФ. Сравнение с экспериментальными данными по ударному сжатию нанопористого никеля и алюминия, полученными в рамках выполнения проекта, также демонстрирует хорошее согласие. 2. Выполнено прямое атомистическое моделирование распространения стационарной ударной волны по пористому образцу из наноникеля и наноалюминия с внедренными в наночастицы точечными дефектами и дислокациями различной концентрации. Моделирование выполнялось методом «бегущего окна», реализованного в компьютерном коде MDcraft. В наночастицы вносились точечные дефекты и линейные дислокации. Использовались наночастицы с размерами 5, 10, 15 и 20 нм. Было обнаружено, что при распространении ударной волны по смеси наночастиц с внедренными в них точечными дефектами и дислокациями скорость ударной волны заметно возрастает: при амплитуде ударной волны в 30 ГПа (массовая скорость течения за фронтом ударной волны около 1 км/с), размере наночастиц 20 мкм, пористости 2 и числе точечных дефектов на наночастицу 10 скорость ударной волны возрастала примерно на 0.5 км/c (6 км/с для наночастиц без дефектов и 6.5 км/c для дефектных наночастиц). Возрастание скорости ударной волны также наблюдалось и для частиц с одной или двумя дислокациями на наночастицу. 3. Было выполнено моделирование двухслойной системы Ni + Al при различных температурах (от 500 до 3000 К) методом квантовой молекулярной динамики. Помимо квантового моделирования, выполнялось также классическое моделирование с потенциалом внедренного атома. В моделировании изучались процессы на границе между никелем и алюминием. Было выявлено, что до температуры плавления алюминия (913 К) на границе между материалами за время моделирования не происходило заметных процессов диффузии, а также образования молекул NiAl. При температурах выше температуры плавления начинался процесс диффузии и образования отдельных молекул NiAl, который заметно активизировался при температурах выше 1800 К. Также по анализу парных корреляционных функций атомов Ni-Al было установлено, что в диапазоне температур 1800-3000 К характерное время жизни молекул NiAl было очень незначительным и составляло порядка 100 фс. Был сделан вывод о слабом влиянии давления на время жизни молекул NiAl. Также моделированием подтверждается факт увеличения числа актов реакции между атомами Ni и Al при температурах выше 1800 К. 4. Для системы Ni+Al были построены потенциал типа MTP (moment tensor potential) и нейросетевой потенциал с помощью пакета DeepMD. Оба потенциала обучались на наборе квантовых конфигураций со 128 частицами Ni и Al, параметры которых рассчитывались методом функционала плотности. Были учтены различные типы состояний: кристаллические, аморфные и жидкие с различными соотношениями концентраций Ni и Al. В кристаллических конфигурациях учитывались объемные и сдвиговые деформации, а также проводилось моделирование при различных температурах и объемах элементарной ячейки, включая область высоких давлений (до 200 ГПа). Всего использовалось около 10000 конфигураций, из них 80% использовалось для обучения и 20% для валидации. Для обоих потенциалов радиус обрезания был выбран равным 6 А. Параметр RMSE (среднеквадратичная ошибка отклонения) по энергии был равен 2 мэВ/атом для потенциала MTP и 1 мэВ/атом для потенциала DeepMD. По результатам валидации обоих потенциалов можно констатировать, что уравнения состояния, температуры плавления и ударные адиабаты воспроизводятся с точностью около 5%, упругие константы с точностью около 15%. В дальнейшем планируется увеличить число частиц обучающей выборке в 2 раза для повышения точности разработанных потенциалов. 5. Был разработан программный модуль для задания кристаллических наночастиц с определенным числом линейных дефектов (дислокаций). Модуль был разработан на языке C++ с интерфейсом на языке Python. В качестве входного параметра модуля используется количество дислокаций, также предусмотрен механизм выбора плоскости дислокации не далее определенного расстояния от центра наночастицы (в процентах). Проведенные тесты показывают, что для наночастиц малого размера (меньше 15 нм) внедрение даже одной линейной дислокации приводит при последующей релаксации наночастицы в молекулярно-динамическом моделировании к разрушению («плавлению») наночастицы. Модуль был протестирован при формировании образца нанопористого образца, состоящего из наночастиц Ni и Al. 6. Была проведена подготовка образцов механоактивированных смесей наночастиц из Al и Ni, а также оптимизация режимов смешения и механоактивации нанопорошков на планетарной мельнице в ОИВТ РАН. Для исследования ударно-волновым способом в диапазоне давлений 10-50 ГПа были подготовлены образцы из нанопорошка никеля (nNi). Рентгенодифракционный анализ показал, что частицы состояли преимущественно из металлического никеля с небольшим содержанием оксида NiOx менее 0,3% по весу. Были получены образцы в виде таблеток (дисков) диаметром 30 или 40 мм путем приложения к порошку одноосного давления до 2700 Мпа. Сферические частицы имели средний размер приблизительно 50 нм. В качестве наночастиц алюминия использовался материал V-ALEX с размерами наночастиц 100-200 нм. 7. Были проведены ударно-волновые эксперименты с образцами V-ALEX и наноразмерными образцами Ni+Al с пористостью около 30%. Была исследована структура ударных волн в пористых образцах наноразмерных образцов Ni+Al с помощью лазерной интерферометрии в диапазоне давлений от 1 до 70 ГПа, определена ударная адиабата и изоэнтропы разгрузки образцов Al, Ni+Al. На текущем этапе выполнения проекта были также проведены ударно-волновые эксперименты с образцами из спрессованного в диски нанопорошка V-ALEX в диапазоне скоростей ударников 1-4 км/c. Были получены профили скорости свободной поверхности образцов при ударно-волновом нагружении, измеренные четырехканальным лазерным интерферометром VISAR. Также были получены ударная адиабата, изоэнтропы разгрузки, профили ударных волн в диапазонах массовых скоростей u_p и давлений p до 2.5 км/c и 30 ГПа.