在石英界面处液态水的冲击结构相变

利用轻气炮加载技术和光透射测量技术, 观测了冲击加载过程中水/石英界面处的水结构变化.实验发现,冲击条件(0.5—2 GPa, 335—375 K)下水在液相区内能够发生结构改变且起始于水/石英界面,结构改变的速率和程度与石英界面的特性有关.证实在固/液相边界一定区域内的液态水,在经历高温高压状态的变化中表现出特殊的相转变现象.同时,研究表明液态水结构转变的过程区分为明显的四个动力学阶段.     

谱学分析在造山带硅质岩中的应用及其地质意义

南秦岭造山带旬阳盆地吕河地区发育有泥盆系硅质岩剖面,该剖面中的硅质岩以谱学特征为基础的微区特征清晰的记录了硅质岩的形成及后期演变信息。以南秦岭造山带旬阳盆地吕河硅质岩样品为对象,借助XRF、拉曼光谱、红外光谱和X射线粉晶衍射分析结果表明：该硅质岩内矿物主要为低温石英并包含极少量的碳酸盐矿物。XRD分析结果进一步证实该碳酸盐矿物为白云石。在吕河硅质岩内,SiO₂结构463 cm-1附近拉曼特征峰经高斯拟合后的峰面积和FWHM值证实发生了低温石英的重结晶作用,该过程中伴随了流体作用引发的有序度变化和石英颗粒的自身有序度变化。在重结晶过程中,石英颗粒的自身重结晶伴随了有序度随时间推移而逐渐增高。流体作用对硅质岩的改造表现为硅质岩内碳酸盐脉体的穿插,该过程还导致低温石英有序度提升,其中越靠近矿物边缘处的SiO₂结构有序度越高。造山带演化过程对硅质岩进行的改造主要体现在两个方面：一方面,构造应力破坏了岩石的连续性并为后期热液流体的运移穿插提供了空间;另一方面,后期流体作用的参与促进了石英颗粒重结晶的进程。红外光谱可以系统的识别硅质岩内矿物的结构类型,拉曼光谱分析可以揭示原位（in situ）微组构特征,XRD在硅质岩内微量杂质矿物的识别优势明显,这些谱学手段为研究硅质岩的成岩演化提供了重要示范。     

压力作用下石英砂岩的热红外光谱变化与敏感响应波段

在实验室对石英砂岩进行单轴压缩加载,利用红外光谱辐射计(观测波段8～14μm)对加载过程中试样的红外光谱辐射变化特征进行观测,研究岩石红外辐射对应力响应的敏感波段。实验结果显示,当岩石被加载时,红外光谱随之发生变化,但不同波段变化特征不同,在8.0～11.5μm范围(尤其在8.6～9.1μm)石英砂岩的红外光谱辐射强度随载荷增加而增加,二者间近似呈两次曲线关系,且光谱辐射强度的"信噪比"较高;在其它波段光谱辐射强度与载荷的相关性差且"信噪比"较低。由此表明,8.0～11.5μm是石英砂岩红外辐射对应力响应的敏感波段,也是岩石应力与灾变红外遥感监测的优势波段,而最佳监测波段是8.6～9.1μm。     

汝阳地区熊耳群火山岩内夹层硅质岩的微区特征及地质意义

熊耳群是前寒武纪火山-沉积作用的产物,其顶部的马家河组(玄武)安山质火山岩内发育了夹层状热水成因硅质岩。选择熊耳群马家河组硅质岩夹层中的碧玉岩为对象,利用偏光显微镜,XRD,Raman和EBSD等方法剖析了其微区特征。研究结果显示：硅质岩内石英颗粒的显微镜和EBSD照片均表现出颗粒细小、结晶程度低和紧密堆积结构等特点,这完全吻合热水沉积硅质岩的特征;硅质岩内粒径不同的颗粒呈条带(或薄层)状交互出现,不同条带(或薄层)内矿物的组成存在明显的差异,这应该反映了原始物质供给的周期性变化;XRD分析结果指示硅质岩内的主要矿物为低温石英,其晶胞参数为a=b=0.491 3 nm,c=0.540 5 nm和Z=3;EBSD照片和Raman分析结果显示硅质岩内微量的杂质矿物形成于不同阶段,其中粘土矿物和黄铁矿呈零星分布并反映了原始沉积成因,长英质矿物和铁镁硅酸盐矿物均来源于火山凝灰质沉积;火山凝灰质矿物的颗粒偏大并构成了硅质岩内的粗颗粒条带(或薄层),它们与热水沉积为主的细颗粒矿物条带(或薄层)交互产出,这反映了火山作用的周期性反复活动;后期的碳酸盐热液沉淀于硅质岩内裂隙中,它们还导致石英颗粒边缘有序度升高。虽然熊耳群硅质岩内的矿物种类和成因均极为复杂,但火山物质的输入是导致熊耳群硅质岩SiO₂含量偏低的根本原因并得到了硅质岩内大量火山成因矿物的证实。在硅质岩的微组构研究中,Raman光谱分析可以有效的揭示微区上矿物的类型、微区结构及有序度,这些特征是反映硅质岩内部矿物形成与演化过程中微区变化的重要信息。     

用于中子衍射的原位应力加载装置

一种小型化的应力加载系统,配合中子衍射应力谱仪可实现对多晶材料的原位测量,为进一步获得材料内部相、织构与应力演化的原位中子衍射实验结果,建立基于微观机制的材料宏观本构模型提供可能。该系统利用伺服电机提供动力,机架使用7050铝合金材料制造,系统的拉伸强度可达10 kN,运动速度可调（1 m/s~1 mm/s）。试样拉伸（压缩）时,S型传感器内部应变片变形产生电压信号,再经PLC处理后得到试样应力与应变之间关系。通过与英斯特朗5967实验拉伸机针对同一钢质试样进行对比实验发现,应力-应变曲线一致性良好。     

加载应力幅值对高纯铜动态损伤演化特性研究

研究了加载应力幅值对延性金属高纯无氧铜动态损伤演化特性的影响. 层裂实验在一级轻气炮上开展, 利用不同的飞片击靶速度实现不同加载应力幅值(2.5 GPa, 2.75 GPa和3.75 GPa), 采用DISAR位移干涉诊断技术测量样品自由面的速度剖面, 利用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术测试软回收的样品截面. 结果显示: 随着加载应力幅值的升高, 层裂强度几乎没有变化, 但自由面速度剖面上Pull back信号后的回跳速率和幅值显著增大, 损伤演化速率显著升高.进一步分析表明: 延性金属动态损伤演化过程中微孔洞成核对加载应力幅值单一因素不敏感, 但加载应力幅值是微孔洞长大和聚集的主导因素之一.     

无氧铜的准等熵压缩性

 利用递变冲击阻抗材料叠合而成的组合飞片，在二级轻气炮上对无氧铜进行了准等熵压缩性测量，加载时间约达1 μs。用激光速度干涉仪连续记录了不同厚度处无氧铜样品自由面速度随时间的变化过程，并通过拉格朗日波分析技术计算得到40 GPa下的准等熵的应力-应变曲线。结果表明：在低应力区，无氧铜的准等熵压缩线位于冲击绝热线之上；到32 GPa以上，准等熵压缩线才回落到冲击绝热线之下。这个现象与Barker、Chhabildas等对铝与钨的实测现象是一致的，它表明：在低应力区，材料的冲击强化效应与加载速率密切相关。     

(111)轴向锑化铟单晶冲击相变研究

 利用气体炮加载方法研究了(111)轴向锑化铟（InSb）单晶的冲击相变以及剪力对冲击相变的影响。冲击加载应力为1.75~3.80 GPa。实验得到，InSb单晶相变的起始应力由静高压时的2.3 GPa下降到1.727 GPa，最大体积变化率为ΔV/V₀＝15.31%，对应的最大剪力为0.681 GPa，剪力水平为83%左右，相变平均静水压力由静高压时的2.3 GPa，下降到0.823 GPa。研究表明，剪力对锑化铟单晶相变的诱发水平有重大影响。     

双石英玻璃珠的低速冲击破碎行为

应用分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置,对直径为8.30、11.68、15.42、17.50 mm的石英玻璃珠开展了冲击速度为5.6~11.5 m/s的双玻璃珠系动态破碎实验。利用高速摄影技术记录双玻璃珠在动态冲击下的破碎过程,结合透射载荷-位移曲线以及破碎产物的粒度分析结果,探讨了石英玻璃双颗粒在冲击下的破坏机制。结果表明:由于双颗粒系中载荷的不均匀特性,两个玻璃珠的破碎具有时序特征,随冲击速度的增加而改变;玻璃珠的冲击破碎源于接触部位局部的Hertz裂纹扩张和裂纹系的扩散,而不是通常认为的贯穿性的斜裂纹体系;瞬态红外测温揭示了玻璃珠冲击破碎的两种主要机制和临界破碎扩散阻力的存在。研究结果对认识脆性颗粒介质的动态破坏机制具有良好的参考意义。     

烧结钕铁硼的层裂强度及断裂机理

利用一级气体炮对烧结钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁材料进行平板撞击实验,实现一维应变下的层裂;采用激光干涉测速技术,测量样品自由面粒子速度历史,确定了冲击压缩后层裂强度与加载应力的关系。结果表明:加载应力在0.375～2.512 GPa范围内时,层裂强度随着加载应力的增加先增加后减小,存在一个阈值,当加载应力超过该阈值时,材料发生压缩损伤,层裂强度随之减小。通过扫描电子显微镜观察样品断口形貌,发现在冲击载荷下烧结钕铁硼出现明显的穿晶断裂。     

AD95陶瓷的层裂强度及冲击压缩损伤机理研究

采用激光位移干涉测试技术测量了AD95 陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面或样品/窗口界面粒子速度剖面, 确定了层裂强度及其与加载应力的变化关系, 在此基础上讨论了冲击压缩损伤程度与加载应力的关系. 研究结果表明: AD95陶瓷发生冲击压缩损伤的阈值应力约为3.7 GPa, 小于其雨贡纽弹性极限(HEL, 约5.47 GPa); 小于阈值应力不发生冲击压缩损伤, 层裂强度随加载应力的增加逐渐增大; 大于阈值应力冲击压缩损伤快速发展, 层裂强度迅速降低; 在HEL附近层裂强度降低到零, 丧失了抗拉能力, 表明材料发生了严重的冲击压缩损伤.     

顽火辉石的高温高压同步辐射研究

 采用同步辐射能量色散X射线衍射技术、激光加热技术和金刚石对顶砧（DAC）高压装置，在温度为2 000 K和压力为23 GPa的范围内，对采自地幔二辉橄榄岩中的顽火斜方辉石，进行了原位的高温高压能量色散X射线衍射（EDXRD）测量。实验结果表明：当压力为15.3 GPa、温度为1 600 K时（相当于地球内部410 km处的地震波不连续界面的温压环境），顽火斜方辉石转变为橄榄石的β相——瓦兹利石（Wadsleyite）相；继续加温加压至2 000 K、23 GPa时（相当于地球内部670 km处的地震波不连续界面的温压环境），顽火斜方辉石相变为钛铁矿（Ilmenite）结构和钙钛矿（Perovskite）结构的混和相。实验结果进一步证明，在地幔中存在的两个地震波不连续界面是由橄榄石、顽火斜方辉石等矿物的相变引起的。     

陶瓷材料在压剪联合冲击加载下动态响应的实验研究

 应用57 mm压剪炮和双磁场IMPS粒子测试系统对95%的Al₂O₃陶瓷材料在压剪联合加载条件下的力学行为进行了实验研究，测量得到了材料内部压缩波（P波）、剪切波（S波）的加载、卸载和传播规律。对剪切波的衰减随载荷的变化进行了研究，初步得到95% Al₂O₃陶瓷材料在压剪联合载荷冲击下发生损伤的纵向应力阀值是4.86 GPa。     

铝的动态屈服强度测量及再加载弹性前驱波的形成机理分析

利用激光干涉测速技术(VISAR)测量LY12铝合金在20—34 GPa冲击压力下经历加载-卸载和加载-再加载过程的样品/窗口界面粒子速度剖面，采用AC方法确定了具有较高精度的动态屈服强度值.实验结果和文献发表的数据具有较好的一致性.通过以平面焊接方式制作组合飞片，克服了组合飞片在气炮发射过程中可能发生分离的技术困难，使铝的动态屈服强度测量压力范围从22 GPa扩展到了34 GPa.同时，根据对不同实验条件下的加载-再加载过程的比较，对再加载弹性前驱波的形成机理进行了讨论，认为位错是形成该现象的主要原因.     

磁驱动准等熵加载下Z切石英晶体的折射率

基于CQ4脉冲功率实验装置开展了Z-切石英晶体在磁驱动准等熵加载下的窗口折射率修正关系研究. 实验中采用激光波长1550 nm的双源光外差测速仪测量获得了LiF窗口和Z-切石英晶体窗口与不同厚度极板界面的粒子速度. 利用反积分方法由实验测得的LiF窗口与极板界面粒子速度计算得到了极板的加载磁压力历史; 以获得的磁压力为输入条件, 采用LS-DYNA计算软件正向计算得到石英晶体窗口与极板界面的真实粒子速度历史. 由实验获得的Z-切石英晶体窗口/极板界面表观粒子速度和计算得到的真实粒子速度, 获得了Z-切石英晶体弹性极限内的连续的折射率修正关系, 将其折射率修正关系的适用压力范围拓宽至14.55 GPa. 表观粒子速度与真实粒子速度关系采用线性拟合时, 折射率修正关系为n=1.087 (± 0.008)+0.4408ρ/ρ₀, 与冲击数据拟合的结果一致. 由折射率实验数据对Z-切石英晶体的极化率分析认为, 在其弹性极限压力范围内加载路径和温度对折射率的影响可以忽略.     

钨合金的层裂强度研究

 用压缩空气炮做冲击加载装置研究一种钨合金的层裂特性,加载应力峰值为5~10 GPa,加载应力时间宽度为0.2~0.6 μs。实验用钨合金由粉末热压烧结制成,是一种均匀混合材料。它的成份重量百分比为W（90%）、Ni（6.8%）、Fe（2.7%）和Cr（0.5%）。由锰铜压阻计测量样品靶后界面应力历史表明,此种钨合金的层裂强度与拉伸应力率的平方根呈单调递增关系,与加载应力峰值无关。回收样品的金相分析结果表明,此钨合金的拉伸断裂主要发生在铁镍混合物部位,钨晶粒的穿晶断裂只占很小部分。断口上的“杯状”凹坑表明,它主要属延性断裂机制。     

斜波压缩下RDX单晶的动力学特性

利用小型脉冲功率装置CQ-4,实现了RDX单晶(210),(100)两种晶向15 GPa内的斜波压缩加载.利用激光干涉测速技术,实验获得了RDX单晶样品与LiF界面的速度历史曲线.速度曲线表现出明显的三波结构,表明出现了弹塑性转变和a-g相变.分别计算了两种晶向的应力屈服极限和屈服强度,不同晶向的RDX单晶的屈服极限表现出明显的差别.并对斜波加载下的a-g相变特征进行了分析,两种晶向的相转变起始压力基本相同, a-g相变起始压力在3.5—4.0 GPa之间,相变起始压力至5 GPa内均为相转变区, 5—15 GPa为稳定新相.     

超高应变率载荷下铜材料层裂特性研究

超高应变率载荷下材料层裂特性研究对理解极端条件下材料动态破坏特性具有重要意义.利用双温模型结合分子动力学模拟研究分析了超高应变率载荷下铜材料的层裂特性,发现当应变率在10~9s~(-1)—10~(10)s~(-1)内时,铜材料层裂强度在19 GPa附近波动.而当材料发生冲击熔化时,铜的层裂强度下降到14.89 GPa.利用飞秒激光对铜样品靶进行冲击加载,并利用啁啾脉冲频谱干涉技术开展超快诊断,通过单发次实验测量获得了样品靶的自由面粒子速度演化历史,结果未见表征样品层裂的速度回跳和速度周期性振荡信号.结合冲击动力学理论得到样品自由面附近最大加载压强为8.18 GPa,小于超高应变率载荷下铜材料的层裂强度.此外,对回收样品扫描分析发现,铜样品未发生层裂且飞秒激光引起的冲击波对样品表面结构产生了很大影响.     

AF-1410钢冲击响应研究

利用φ100的一级轻气炮作为加载手段，采取飞片对称碰撞法研究了AFI-410钢在冲击载荷下的动态响应。在实验中，用激光干涉测速仪(VISAR)测量样品自由面速度剖面，并用PZT陶瓷片测量弹性先驱波速度。由VISAR测量的自由面速度历史曲线如图1所示，图中Ⅰ～Ⅵ代表不同撞击速度下样品自由面速度历史图像。塑性冲击波速度与波后粒子速度关系为Cpl=4．45 1．477up(km/s)，拟合曲线如图2所示。同时，根据自由面速度历史反映的层裂信息，得到Hugoniot弹性屈服极限约在2．74GPa，层裂强度约4．67GPa。     

PLD方法制备的超硬非晶碳薄膜研究

 用脉冲激光沉积在不同条件下制备非晶碳超硬薄膜，研究了非晶碳超硬薄膜的表面形貌、结构、应力、硬度以及能谱等。原子力显微镜和扫描电镜图像显示，薄膜表面平整、致密且光滑,均方根粗糙度最大为0.877 nm。在高激光重复频率、高激光通量条件下，薄膜有很大的应力，致使膜层褶皱甚至破裂，小角X射线衍射表明薄膜为非晶态且最大残余应力达30 GPa以上,但300 ℃温度的原位退火可以有效降低残余应力；纳米压痕测试表明薄膜硬度大于20 GPa，弹性模量大于200 GPa；X射线光电子能谱表明薄膜中sp3的含量在39%~53%之间变化，并且与激光通量成正比。