冲击波物理与爆轰物理——冲击波物理与爆轰物理学科研究进展

分析了当前冲击波温度测量中广泛使用的Grover理想界面模型的局限性，指出传统的冲击波温度测量方法在实验技术上和数据处理上存在的问题，指出了辐射法冲击波温度测量在实验装置设计上必须满足的具体要求。通过对发生冲击或卸载熔化时“样品／窗口”界面温度的分析，以及对金属和窗口材料在高压下的热传导特性的分析，建立了卸载熔化温度与界面温度之间的直接关联，提出了利用辐射法测量金属高压熔化温度的新方法。     

冲击温度测量中辐射度的数值模拟

 考虑窗口不透明性、界面发射率和热传导等因素对冲击温度测量中辐射度的影响，认为在冲击压缩下窗口不透明性的增大是导致辐射度随时间变化的重要因素。用流体动力学方程、辐射输运方程并计及热传导数值模拟了辐射度，得到了与实验一致的结果。     

金属的冲击波温度测量（Ⅲ）：“基板／样品”界面间隙对辐射法测量冲击波温度

讨论了在利用辐射法测量金属的冲击波温度时，金属基板（靶板）与金属镀膜样品之间的间隙对“金属镀膜样品／窗口”界面上的温度的影响及其对冲击波温度测量的意义。“金属基板／间隙／镀膜样品／透明窗口”这样一种由四层介质组成的典型的靶－样品装置被广泛用于金属材料的冲击波温度测量中。利用拉普拉斯变换对上述“以介质模型”在经受冲击波压缩全盘香的热传导方程进行求解。结果表明：当冲击波扫过金属镀膜样品与窗口之间的界面     

金属的冲击波温度测量（Ⅳ）——“三层介质模型”及其应用

 重点讨论了非理想界面对利用辐射法测量金属的冲击波温度的影响,建立并给出了“三层介质模型”的热传导方程的普适解析解,分别将该解析解应用于块状金属样品的冲击波温度测量、“热阻模型”以及利用对称夹心装置测量蓝宝石单晶的高压热传导问题;重点研究和讨论了利用块状样品进行金属材料冲击波温度测量的原理和可能性,以及在利用块状样品进行金属材料冲击波温度测量时实验装置设计应该满足的要求。“三层介质模型”的分析表明：只要块状样品与透明窗口之间的间隙尺度小于1.0 μm（最好小于0.5 μm）,则“样品/窗口”界面的温度在大约几十纳秒的时间内即可从尖峰温度衰减到与理想界面温度相当接近的值。根据“样品/窗口”界面的这一热弛豫特性,可以直接利用块状金属样品测量冲击波温度而不必采用镀膜技术。给出了利用块状铁陨石样品和单晶蓝宝石（Al₂O₃）窗口进行冲击波温度测量的初步实验结果,与三层介质模型的预期结果符合得很好。     

无氧铜冲击熔化温度的辐射法测量

 在发生冲击熔化的情况下，金属样品/窗口界面压力下的熔化温度与卸载温度数值相等，且十分接近于界面温度值。根据这一结论，利用二级轻气炮加载手段和光辐射法测温技术，用氟化锂（LiF）单晶作透明窗口，获得了110~140 GPa压力范围内无氧铜的熔化温度。实验表明，无氧铜的高压熔化温度数据与文献发表的无氧铜高压声速实验结果是一致的，铜的高压熔化规律可用Lindemann熔化定律近似描述。采用的熔化温度测量方法不必反演出冲击温度，简化了冲击熔化温度的数据处理方法，为金属冲击熔化温度测量提供了一种潜在的技术途径。     

纳秒尺度金属熔化相变数值模拟及实验验证

本文基于非均匀成核相变动力学理论和热传导方程研究了在极快速升温(10¹²K/s)条件下金属达到过热状态后发生熔化相变时,通过金属/光学窗口界面温度的演化历史研究了金属内部温度的变化情况.分析结果表明,当金属内部无熔化发生时,界面温度将很快达到平衡,此变化满足理想接触界面模型;而当金属内部有熔化发生时,界面温度受熔化速率的影响不能立即达到平衡而是经历了一个下降的弛豫过程.计算结果与实验观测结果进行比较后发现两者符合得较好,由此可以获得金属在高压下的熔化速率,熔化温度等相关信息.本文的研 关键词： 相变动力学 热传导 金属铁 冲击波     

金属的冲击波温度测量(Ⅲ)--"基板/样品"界面间隙对辐射法测量冲击波温度的影响

讨论了在利用辐射法测量金属的冲击波温度时,金属基板（ 靶板） 与金属镀膜样品之间的间隙对“金属镀膜样品／ 窗口”界面上的温度的影响及其对冲击波温度测量的意义。“金属基板／间隙／ 镀膜样品／ 透明窗口”这样一种由四层介质组成的典型的靶样品装置被广泛用于金属材料的冲击波温度测量中。利用拉普拉斯变换对上述“四层介质模型”在经受冲击波压缩作用时的热传导方程进行求解,结果表明：当冲击波扫过金属镀膜样品与窗口之间的界面（“样品／ 窗口”界面）后,该界面温度的弛豫过程与间隙的尺度密切相关：当间隙的厚度与镀膜层的厚度相近时,“样品／窗口”界面的台阶形温度剖面的起始部分会出现一个尖峰,尖峰的高度与宽度与间隙的尺度相关;如果金属镀膜层的厚度远大于间隙的厚度,则该温度剖面为一平顶台阶。     

金属冲击温度测量中金属/窗口界面表观光谱辐亮度的再研究

 在冲击压缩下，理想接触的金属/窗口界面温度历史是时间无关的，因而一般认为界面的表观光谱辐亮度也是时间无关的。研究表明：（1）在冲击压缩下，将伴随金属对光的吸收系数减小和光学厚度增大。因此，在考虑辐射输运效应后，理想接触的金属/窗口界面处的表现光谱辐亮度是时间相关的。非常明显的时间相关过程自冲击波到达界面后持续约10 ns。（2）若把存在空间温度梯度的金属界面辐射看作是透光厚度内平均温度的等效辐射效应，其结果与辐射输运效应的计算结果是很相近的。     

金属的冲击波温度测量（Ⅱ）──界面卸载近似

 利用辐射法测量金属材料的冲击波温度时,在金属样品/透明窗口界面上卸载引起的熔化对卸载终态的影响进行了探讨,提出了利用“过热”卸载模型计算由于卸载熔化对终态的影响及计算公式,并给出了几种典型压力下Fe/Al₂O₃及Fe/LiF界面在考虑卸载熔化后的温度、熔化质量分数及体积。     

冲击压缩下金属/窗口界面热弛豫过程的热阻模型研究

 研究了金属/窗口界面在冲击压缩下的热弛豫过程。从热阻模型出发，给出了弛豫时间常数与界面热阻以及材料热输运系数之间的函数关系。讨论了本文模型与Grover和Urtiew模型之间的关系。对两种不同的实验记录图像进行了解释，对产生界面热阻的原因进行了初步分析。     

混合物冲击温度的数值模拟

 介绍温度的数值模拟方法，采用三维动力学有限元程序模拟冲击压缩状态，分析了数值模拟的准确性。模拟了铜和铝两种金属单质组成混合物的冲击压缩性能，在分析了热传导影响后，计算了混合物的冲击温度和冲击绝热线。     

Problems of shock temperature measurements for metals by using optical radiometry method

Abstract

Several problems encountered in shock temperature measurements for metals using optical radiometry were discussed in detail. The influences of the driver/film gap upon the observed interface temperature history were formulated analytically, and the temperature relaxation behaviors at the film/window interface were also characterized. We found that the energy deposition at the driver/film gap would influence to varied degrees the film/window interface temperature profile unless the film deposited on the window can be regarded to have an infinite thickness. Modeling calculations showed that at shock pressures of a few megabars, the observed interface temperature of iron would be at least 300–600 K higher, relative to the prediction from the Grover model, provided that the gap and film were both 1 ～ 2 pm thick. Additionally, a metal-plate sample was used to measure a reliable shock temperature based on one-dimensional heat conduction model for the plate-sample(driver)/ pm-gap/window setup we proposed. Preliminary measured results for a meteoritic iron sample (kamacite, with Fe 93.65 wt.% and Ni 6.35 wt.%) using a disc sample showed that this method was practical and effective. Finally, the “heat-resistance model” proposed by Tang et al., and the experimental measurement of the heat conductivity for a transparent window (sapphire or LiF crystal) at megabar shock pressures were discussed and commented on as well.     

Gold under high pressure

Abstract

First principle predictions for the equation of state of gold using solid and liquid state theories are compared up to combined pressures and temperatures of 600 GPa and 17 000 K with static diamond anvil cell compression, ultrasonic measurements and shock Hugoniot data which include a recent laser driven shock Hugoniot points at 600 GPa. Excellent agreement between theoretical and experimental data is observed. The theoretically estimated 300 K isotherm agrees to within 2 GPa with the isotherm that has been measured to 70 GPa using the diamond anvil cell. The structural energy estimates show that the normal f.c.c. phase remains stable under pressure. The estimate of the shock Hugoniot temperature of gold at 600 GPa based on a liquid state model is consistent with the measurements of laser induced shock luminescence, which in fact provides an experimental determination of the temperature of gold above its Hugoniot melting point. The powerful means provided by theory in the prediction of material properties of gold at ultra high pressures and temperatures is significant because gold is an efficient converter of laser energy into soft X-rays and is a potential candidate as a standard for high pressure, high temperature work.     

一种高密度玻璃的多形性高压相变和物态方程研究

在二级轻气炮上用无氧铜飞片直接撞击重玻璃平板样品(密度为4.817 g/cm³,材料牌号:ZF6)开展了冲击压缩实验研究,压力范围为52.1—167.8 GPa,并采用多通道瞬态辐射高温计和光分析技术测量了其雨贡纽线、高压声速和冲击波温度等动态特性.实验结果显示,上述性质在三个不同压力区间出现不连续性变化,表明冲击压缩下该样品材料存在多形性高压相变,相变起始压力分别为23,78和120 GPa.实测声速先是随冲击压力的增高而增加,并在78 GPa附近出现急剧下降,之后又随压力增长,并在120 GPa之后下降到体波声速,表明材料进入高压熔化相.温度数据同样在78和120 GPa处出现明显的不连续变化,并在120 GPa之后变化趋于平缓与计算的Lindeman熔化线相符,进一步印证了上述相变行为.实测雨贡纽数据与LASL数据库中的重玻璃数据相符,结果显示除23 GPa附近有一明显的突变外,高压区数据几近线性变化,表明重玻璃的两个高压相变均为二级相变.本文报道的重玻璃材料高压物性数据和序列相变认识对于发展反向加载技术、提高材料声速测量精度和适用压力范围具有实用价值. 关键词： 重玻璃 冲击温度 卸载声速 冲击相变     

冲击压缩后热传导的理论研究

 冲击压缩后的界面温度和界面附近的温度历史用Cattaneo热传导理论作了计算，并与Fourier热传导理论的结果作了比较。分析了热弛豫时间常数对界面温度的影响。     

动高压下拉格朗日声速的测定及其应用

 通过实时记录冲击加载—再加载和冲击加载—卸载波的粒子速度剖面,得到了再加载和卸载波在93W合金中传播的拉格朗日声速。通过拉格朗日声速从准弹性到纯塑性的转化,获得了材料在一次冲击终态时的剪应力、剪切模量以及考虑了剪应力修正后的93W合金的冲击绝热关系。