熔化前后Pb样品表面微喷射现象研究

利用设计的大量程Asay-F窗技术,从实验上准确诊断了不同加载状态下金属Pb样品表面微喷物质量和密度-速度分布信息,重点阐释了熔化前后金属样品表面微喷特性的异同,并从理论分析的角度解释了该现象产生的物理原因,为研究熔化对金属样品表面微喷射的影响机制奠定了重要基础.     

熔化状态下锡样品微喷射现象的诊断北大核心CSCD

强冲击熔化状态下,金属样品表面微喷射大幅增加,难以诊断。针对该问题,利用Asay-F窗技术,通过实验诊断,得到了熔化状态下不同表面加工状态锡样品表面微喷射物质的质量、密度、速度和空间分布等信息,分析了表面加工状态对表面喷射物质量及特征的影响。结果发现,对于熔化状态的金属样品,表面粗糙度仍是决定微喷射物质量大小、速度及空间分布的重要因素,且相关特征均呈现随表面粗糙度增大而增大的趋势。研究结果为认识熔化状态下材料的微喷特性及构建物理模型提供了重要数据。     

熔化状态下锡样品微喷射现象的诊断

强冲击熔化状态下,金属样品表面微喷射大幅增加,难以诊断。针对该问题,利用Asay-F窗技术,通过实验诊断,得到了熔化状态下不同表面加工状态锡样品表面微喷射物质的质量、密度、速度和空间分布等信息,分析了表面加工状态对表面喷射物质量及特征的影响。结果发现,对于熔化状态的金属样品,表面粗糙度仍是决定微喷射物质量大小、速度及空间分布的重要因素,且相关特征均呈现随表面粗糙度增大而增大的趋势。研究结果为认识熔化状态下材料的微喷特性及构建物理模型提供了重要数据。     

熔化状态下金属样品表面的微喷射问题

熔化状态下金属样品表面微喷物质的时空演化规律是目前国内外研究关注的热点问题,不过,由于压电石英计等传统诊断技术能力的限制,导致目前对该问题的认识仍存在明显不足.本文采用作者前期发展的大量程Asay-F窗技术,结合传统压电石英计,通过将其布置在距受载Sn样品自由面不同高度位置处的方法,系统研究了熔化Sn样品表面微喷物质的运动演化规律,给出了特定时刻微喷物质的密度-空间分布图像.本文研究结果从实验上确认了微喷物质时空演化过程中的"自相似膨胀"规律,成功避免了传统压电石英计由于测量量程偏低导致其获取物理认识不够全面的问题,为认识动载下金属材料的微喷运动演化规律提供了重要实验支撑.     

表面粗糙度对金属冲击熔化破碎的影响

对两种表面粗糙度的金属锡样品开展了一维平面冲击微层裂实验,采用自行研发的多点动量测试装置获取熔化金属破碎区粒子动量的时空分布信息。测试结果表明,对于百纳米级粗糙度精磨样品,在加载稀疏波的作用下,熔化金属出现典型的分层断裂现象。应用光滑粒子流体动力学方法与Autodyn程序,开展了金属锡微层裂过程的细观尺度模拟,研究自由面稀疏波沿样品厚度方向传播时界面不稳定性增长的特征。研究发现,微米尺度的表面粗糙度足以使扰动伴随反射稀疏波的传播而充分增长,卸载区熔化金属充分破碎,破碎粒子同时具有冲击方向和径向的分散性,与实验测试结果相符合。     

金属Al表面熔化各向异性的分子动力学模拟

采用嵌入原子势,使用分子动力学方法对金属Al不同低指数晶面的表面熔化现象分别进行了模拟.分析了熔化过程中样品结构组态的变化.模拟结果表明对于不同的自由表面,表面熔化呈现出明显的各向异性行为.Al（110）面在低于熔点的温度之下发生预熔化;（111）与（001）面都出现过热现象.与（111）面不同,（001）面发生过热现象时表面原子层为类液层,而（111）面仍然保持很好的晶格结构,即预熔化的Al（001）面在高于熔点的温度下,仍可以在很长的时间内处于相对稳定的亚稳态.由模拟得到Al的热力学熔点为950 K左右,与实验值基本符合. 关键词： 分子动力学 表面熔化 过热     

金属钨熔化过程的分子动力学模拟

本文使用分子动力学方法对金属钨的熔化过程进行了数值模拟,分析了钨在熔化过程中的结构、系统内能变化以及表面熔化过程固-液界面变化情况,初步分析了表面熔化现象的机理。模拟过程采用嵌入原子模型(EAM)描述原子间相互作用,模拟结果表明,嵌入原子模型适合于计算固-液相变过程,表面熔化过程是由表面处最外层原子的不稳定性触发的。对于均匀熔化过程,晶体在4700 K下发生固-液相变;对于表面熔化过程,计算获得了不同温度(3800～4800 K)下的熔化速度,拟合出熔化速度公式,得到的表面熔化热力学熔点与已有实验结果基本符合。     

Au纳米薄膜的熔化机理及其结构演变的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟详细研究了不同厚度的Au纳米薄膜的熔化机理和结构演变. 模拟结果表明所有Au纳米薄膜的熔化行为分为两个阶段,即表面预熔和均相熔化. 只有最外层原子出现了预熔化行为, 其他内层原子在均相熔化之前始终保持稳定的固态,这与零维的Au纳米团簇和一维的Au纳米线的预熔化行为是不同的. 同时Au纳米薄膜的熔化温度随着薄膜厚度的增加而升高. 在预熔化过程中,在原子水平上发现了所有的Au纳米薄膜的f100g晶面向f111g晶面转变的表面重建过程. 对于最薄的L2纳米薄膜,当温度低于500 K 时表面应力不能诱导这样的表面重建. 然而一维的Au纳米线在更低温度下就能够观察到了由表面应力诱导的表面重建过程. 这主要是因为Au纳米线具有更高的比表面积所导致的. 另外研究结果还表明当模拟温度达到某一特定值时,由双原子层组成的Au纳米薄膜能够分裂成一维的纳米线.     

液体横向射流在气膜作用下的破碎过程

为了研究液体横向射流在气膜作用下的破碎过程,采用背景光成像技术及VOF TO DPM方法进行了实验研究和仿真研究,模拟介质为水和空气.研究结果表明,液体射流在气膜作用下主要存在两种破碎过程:柱状破碎和表面破碎.Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性产生的表面波是液体射流发生柱状破碎的主要原因,气流穿透表面波的波谷导致射流柱破碎,破碎后的液丝沿流向逐渐发展呈带状分布.Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性产生的表面波是液体射流发生表面破碎的主要原因,液丝和液滴从射流表面剥离.局部动量比对液体横向射流的破碎过程具有重要影响,当局部动量比较低时,液体射流的破碎由K-H不稳定性主导;随着局部动量比的增大液体射流的破碎逐渐由R-T不稳定性主导.液体射流的破碎长度及穿透深度均随局部动量比的增大而增大.     

激光照射金颗粒在散射效应下的相变传热

采用二维双温度模型结合散射作用所引起颗粒表面光强不均匀分布的结果,对单脉冲激光垂直照射金颗粒的相变传热进行研究,通过将界面能量平衡方程,成核动力学的界面追踪法相耦合来确定固液界面的位置并研究激光参数对烧结过程的影响.结果表明：当激光垂直照射金颗粒时,熔化现象主要发生在颗粒的两极且底部熔化开始时间早,熔化体积也比较小.激光的脉宽越短熔化开始时间越早,熔化体积越大.提高激光的能量密度,颗粒的熔化体积也随之增加.     

超高应变率拉伸破碎铝的粒子尺寸测量

材料在超高应变率下发生的动态拉伸破碎是冲击波物理领域的一个重要内容,受诊断技术限制,粒子尺寸直接测量的数据非常有限。基于脉冲激光同轴全息技术,建立了一套材料超高应变率破坏状态和破碎粒子诊断的高精度联合测量系统,利用该系统,成功开展了107～108/s超高应变率范围内铝的动态破碎粒子在位测量,获得了粒子尺寸分布数据。     

Interaction of 12.7 GeV He ions with U, Pb, Au and Ag targets

The processes of production of fragments Z 8 in the interactions of 12.7 GeV ⁴He with U, Pb, Au and Ag have been analyzed using the polycarbonate track detector Makrofol. A sandwich technique was used which enables direct evidence for multiple fragment emission by a single nucleus. The decay channels ending with one, two or more (three, four) fragments were detected. A classification scheme based on the multiplicity of heavy fragments M_H (Z> 20) was used in order to identify events belonging to the different reaction channels. Cross sections, excitation energies and multiplicities of intermediate mass fragments (8 Z 20) have been evaluated for various reaction mechanisms. The experimental features of the fragmentation process have been analyzed as a function of the target mass.     

Fabrication of metal nanodot arrays using a porous alumina membrane as a template

Thin nanodotstructured metal films and heterostructured nanodot arrays (metal nanodot arrays/Si) with a high density and uniform distribution for various kinds of metals (Au, Al, Ag, Pb, Cu, Sn, and Zn) were fabricated by thermal vacuum evaporation using an anodic porous alumina membrane as a template. However, for such metals as Sn, Zn, and Pb with relatively lower melting point as compared with Al it was found that heterostructured nanodot arrays were not formed by a single stage of evaporation. For these metals, we developed a new method termed “two step evaporation method”. The size and the arrays of dots were depended on the pore structure in the anodic porous alumina template. The technique demonstrated in this report is simple and suitable for the preparation of nanodot arrays in the large area for materials which could be vacuum evaporated.     

强激光加载下锡材料微喷颗粒与气体混合回收实验研究及颗粒度分析

冲击波在金属材料自由面卸载时,材料表面会形成微颗粒向外喷射,这是材料表面一种特殊的破坏形态.在内爆压缩和高压工程领域的相关物理过程中,微喷射颗粒是引起界面混合现象的重要来源,会直接影响后期的混合状态和压缩过程.而微颗粒的尺寸、形态、运动速度等是开展微喷混合过程理论和数值模拟研究的重要参数.由于实验中动态诊断的难度较大,目前已获取的微喷颗粒尺寸及分布数据十分有限.基于神光Ⅲ原型激光装置,本文设计并开展了强激光驱动冲击加载,锡材料微喷颗粒经过气体区混合后,低密度泡沫材料对微颗粒进行回收分析的实验研究.通过对微喷颗粒回收样品的X光电子计算机断层扫描分析和图像重建,获得了两个典型加载压强条件下与气体混合后微喷颗粒的三维图像,通过与真空实验条件下回收微喷颗粒图像的对比分析,对混合后的微喷颗粒分布形态有了初步的认识;测量统计了回收颗粒尺寸与数目,并通过分析,给出了微喷颗粒尺寸的双指数分布规律.     

强激光间接驱动材料动态破碎过程的实验技术研究

强激光驱动加载已成为冲击波作用下材料动态破碎过程研究的一种有效手段.采用间接驱动方式,设计合适的腔型进行物理实验研究,可实现更大且更均匀的冲击加载一维区.采用数值模拟和物理实验方法,研究强激光间接驱动材料动态破碎过程的实验技术.首先,利用IRAD程序设计适用于开展动态破碎过程研究的半柱腔,其直径为2 mm、腔长为2 mm;进而通过物理实验获得此腔型下多个激光能量点、脉宽2 ns和3 ns条件下辐射峰值温度和波形;最后,利用流体模拟方法给出多种辐射波形下的冲击加载波形.利用高能X射线成像和光子多普勒干涉仪诊断给出间接驱动加载下层裂过程的物理图像和速度历史.经分析发现,间接驱动的加载一维区达到2 mm,平面性优于5%,能有效地开展相关物理实验研究.研究结果为新型柱腔设计、冲击加载技术及动态破碎过程研究提供了重要的研究基础.     

Projectile fragmentation of silicon ions at 490 A MeV

Fragmentation cross sections are essential input parameters for propagation calculations which describe the effect of shielding against cosmic ray heavy nuclei by the walls of spacecraft or planetary habitat. Cross sections for the breakup of different elements are needed for different types of target material and for a wide range of energy.

For this purpose, we have extended our studies of projectile fragmentation. By using stacks containing CR-39 track detectors and targets ranging from CH₂ to Pb we have measured total and elemental fragmentation cross sections for fragments with charges Z_F>5, for silicon projectiles with energies of 490 AMeV. These new data sets allow us to improve our knowledge about the target and energy dependence of fragmentation cross sections.     

对能对弹核碎裂反应截面的影响

运用改进的量子分子动力学(ImQMD)模型嫁接GEMINI统计衰变模型对400 AMeV 36Ar与C、Al、Cu、Pb的弹核碎裂反应截面的奇偶效应进行了理论分析。分析结果表明，弹核碎裂电荷反应截面的奇偶效应产生在初级碎块的退激发过程中，而且退激发过程中的对能在奇偶效应的产生中起着重要作用。如果不考虑对能，弹核碎裂电荷反应截面的奇偶效应将消失。同时由于对能的作用使得弹核碎裂的中子反应截面也表现出明显的奇偶效应。     

Size-Dependent Melting Behaviour of Nanometre-Sized Pb Particles Studied by Dynamic Mechanical Analysis

Nanometre-sized （hereafter nano-） Pb particles embedded in an Al matrix are prepared by ball milling. It is found that the size of nano-Pb particles was decreased with increasing milling time. The melting behaviour of nano-Pb particles embedded in the Al matrix is studied by means of dynamic mechanical analysis, and a single internal friction peak in the vicinity of Pb melting temperature is observed. The onset temperature of the peak moves to lower temperature with the decrease of particles size and the internal friction peak height is increased, which indicates a size-dependent melting behaviour of nano-Pb particles. It is suggested that the size-dependent melting behaviour is associated with surface melting.     

应用SPH方法对平板铅飞层对碰凸起动载行为的数值模拟研究

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,模拟研究了两点起爆圆柱炸药驱动组合飞层(铝+铅)的动载行为,得到了爆轰波对碰区铅飞层类似射流状超前凸起的计算图像。模拟结果表明,对碰凸起呈现与实验结果相同的分层结构,且凸起头部具有散碎特征,根部相对密实。因此,SPH方法能够较好地模拟铅这类低熔点、低强度金属在对碰区中出现的散碎等破坏现象。     

Isospin dependence of projectile fragmentation and neutron-skin thickness of neutron-rich nuclei

By investigating the cross section distributions of fragments produced in the 140 A MeV ^40,48Ca+⁹Be and 1 A GeV ^124,136Xe+Pb reactions, the isospin dependence of projectile fragmentation in fragment production is studied. In the framework of the statistical abrasion-ablation model, the 1 A GeV ¹³⁶Xe+²⁰⁸Pb reaction is calculated. By adjusting the diffuseness parameter in neutron density distribution of ¹³⁶Xe, we find the isospin dependence of projectile fragmentation in fragment production is sensitive to the neutron-skin thickness of the projectile nucleus.