冲击压缩下玻璃等脆性材料中失效波的研究进展

失效波的研究始于Rasorenov和Kanel发现K19玻璃样品后自由表面速度时程曲线上有反常再压缩信号。失效波是二十世纪九十年代冲击动力学研究领域的一个重要发现,它是指在一维平面应变冲击压缩下,在玻璃等脆性材料中由冲击波引起的一种独特的失效或破坏现象。较为系统地回顾近年来对失效波的研究工作,评述了研究现状、最新结果、发展趋势、研究方法和实验手段,对尚存的问题进行了分析讨论,并介绍了玻璃材料的基本特性。最后简单汇报了作在这方面的研究工作和取得的阶段性结果。     

Soda lime玻璃材料中失效波形成和传播研究

 为了研究冲击载荷作用下Soda lime玻璃材料中失效波的形成和传播,通过轻气炮加载平板撞击实验,采用双螺旋锰铜压阻传感器,在一发实验中同时测量4种不同厚度试件背面与有机玻璃背板间界面处的纵向应力时程曲线,根据测量结果得到试件中失效波的传播轨迹。通过改变碰撞速度,对不同加载条件下的失效波形成和传播规律进行了研究,结果表明,Soda lime玻璃材料在冲击作用下产生失效波所需的延迟时间随冲击载荷的增加而减小,失效波传播速度随冲击载荷的增加而增加。最后采用弹性微裂纹统计模型描述冲击载荷作用下Soda lime玻璃的破坏机制,并将模型嵌入LS-DYNA有限元程序中,模拟试件在不同加载条件下的平板碰撞,所得横向应力和自由面粒子速度曲线均可用于表征失效波破坏现象。根据数值模拟结果分析失效波的传播轨迹,与实验测量结果符合较好。     

玻璃中失效波传播的实验研究

通过轻气炮加载平面撞击实验,采用激光速度干涉仪(VISAR)测量了相同冲击载荷作用下不同厚度Soda-Lime玻璃试件背面的粒子速度,得到了Soda-Lime玻璃中失效波的传播轨迹和传播速度。结果表明:碰撞面上产生的失效波存在一定的初始时间延迟,且延迟时间随载荷增加而减小。研究结果对于深入认识失效波的产生机理及其在各类脆性材料中的传播规律具有重要作用。     

冲击载荷下K9玻璃的光学特性

K9玻璃常作为冲击载荷下失效波(破坏波)萌生机制和脆性材料动态断裂特性的研究对象,而当作为冲击窗口材料时,由于冲击压力范围限制,其光学特性研究常被忽略。通过平板撞击实验,结合激光多普勒测速系统(DPS:Doppler Pin System,激光波长为1 550nm),获得了冲击波传播过程中不同光学测试界面运动的速度历史。通过分析原始干涉信号和界面速度剖面的时间对应关系,获得了K9玻璃保持冲击透明性及弹性响应的压力范围。研究结果表明,当冲击压力低于8GPa时,K9玻璃能保持良好的光学透明性,其动态折射率随密度的变化呈典型线性关系。     

激光冲击陶瓷中反射拉伸波破坏的预防

激光冲击过程中,反射拉伸波一直都是造成材料失效的主要破坏模式。为了进一步分析陶瓷材料的冲击性能,控制拉伸波对材料造成的破坏,从而最终达到改善其脆性的目的,使用高功率钕玻璃脉冲激光器对Al2O3陶瓷进行了冲击试验。通过在Al2O3试样背表面粘贴胶带,发现陶瓷表现出与无粘贴状态下完全不同的破裂模式。使用扫描电子显微技术观察其断口形貌并结合理论分析,发现粘贴胶带以后,对背表面的反射拉伸波能量有相当程度的衰减,大幅减少了拉应力的作用。通过计算表明,这种背面粘贴的胶带可降低冲击波能量到反射前的40％左右,这样就可以通过降低反射波能量来大幅减少拉伸波造成的灾难性脆断。     

各向同性固体界面非线性反射的实验研究

实验测量了SV波入射到玻璃-空气,玻璃-铁、铜、铝界面上时反射的二次谐波SV波,研究了非线性反射效率与入射角以及材料的线性和非线性特性的关系,发现在某些入射角下,反射的二次谐波会有较大的振幅,报道了实验结果并和理论进行了比较。     

冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏研究

通过平板冲击实验研究了富含微缺陷的非均质脆性固体的冲击压缩响应特性.选取“强角闪石化橄榄二辉岩”作为样品材料，利用激光速度干涉仪测量样品后自由面的速度历史，在冲击加载应力远低于样品材料Hugoniot弹性极限的条件下，观测到了表征破坏波出现的再加载信号，并且该破坏波的速度远大于玻璃中破坏波的速度，以接近于冲击波的速度在样品内向前传播，其形成机理与玻璃样品中的破坏机理不同，称之为“就位扩展机理”.采用同一冲击加载应力(～3.9GPa)作用于不同厚度的样品,获得了破坏波穿过样品的运动过程，确定出样品中破坏波的轨迹线近似为一条不过原点的直线，相应的产生此破坏波的弛豫时间约为0.5 μs.     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

蓝宝石动态损伤的时间演化特性

采用时间分辨的高温计技术和Doppler Probe System (DPS)系统,本文测量了冲击压缩下蓝宝石的光谱辐亮度历史和粒子速度波剖面,并对其隐含的动态损伤的时间演化特征进行了研究。当冲击压力为~52GPa时,r切蓝宝石的光辐亮度值随时间呈线性增长,而高达58GPa时,则呈现出两段不同的线性增长特征,并且后者增长速率明显高于前者,表现出急剧增长行为。结合蓝宝石的粒子速度历史剖面结果可得,在整个观测时间内,光辐射观察区域并未受到来自飞片自由面或样品边侧的稀疏波干扰,仅受到冲击压缩波作用。这表明实测光辐射信号仅与蓝宝石在冲击压缩下的动态变形有关。将光辐亮度历史变化特征与固体材料的失效破坏理论结合分析,蓝宝石中可能发生了剪切带的贯穿失效现象。进一步的压力和晶向相关性研究结果显示,此失效破坏现象出现的弛豫时间随压力的升高而变短,并且r切蓝宝石比m切样品更长。本文对理解蓝宝石动态损伤机理具有指导意义。     

蓝宝石动态损伤的时间演化特性

采用时间分辨的高温计技术和Doppler Probe System(DPS)系统,本文测量了冲击压缩下蓝宝石的光谱辐亮度历史和粒子速度波剖面,并对其隐含的动态损伤的时间演化特征进行了研究.当冲击压力为~52GPa时,r切蓝宝石的光辐亮度值随时间呈线性增长,而高达58GPa时,则呈现出两段不同的线性增长特征,并且后者增长速率明显高于前者,表现出急剧增长行为.结合蓝宝石的粒子速度历史剖面结果可得,在整个观测时间内,光辐射观察区域并未受到来自飞片自由面或样品边侧的稀疏波干扰,仅受到冲击压缩波作用.这表明实测光辐射信号仅与蓝宝石在冲击压缩下的动态变形有关.将光辐亮度历史变化特征与固体材料的失效破坏理论结合分析,蓝宝石中可能发生了剪切带的贯穿失效现象.进一步的压力和晶向相关性研究结果显示,此失效破坏现象出现的弛豫时间随压力的升高而变短,并且r切蓝宝石比m切样品更长.本文对理解蓝宝石动态损伤机理具有指导意义.     

玻璃加工的特性

<正> 制造光学零件用的材料绝大部分是玻璃,玻璃是最典型的硬脆性材料,因此研究硬脆性材料的特性和结构是研究光学零件加工本质中一个至关重要的问题。有很多人对此进行过研究,但要微观地、定量地对玻璃的加工本质加以说明,还需要做大量的研究工作。     

低冲击应力下脆性介质电阻率的实时测量

 冲击波压缩下材料宏观性质的变化与微观结构演化有着密切联系。通过改进对称差分电路测量方法,测量K9玻璃在失效破坏过程中的电阻率变化,研究了脆性介质在低冲击波应力下的损伤破坏机制。结果表明,随着冲击波在K9玻璃中传播,K9玻璃的电阻率逐渐下降;在7.6 GPa冲击压缩下,K9玻璃由最初的绝缘体状态逐渐转变为电阻率约420 Ω·m的稳定状态。     

基于固有型内聚力模型模拟双层夹胶玻璃冲击断裂行为

为了研究双层夹胶玻璃(LG)在冲击荷载作用下的裂纹扩展规律,采用零厚度固有型内聚力单元裂纹扩展方法建立了球形锤头冲击下两边支撑的LG动力响应的计算模型,内聚力单元使用最大主应力失效准则,探讨玻璃罚刚度K值和厚度对裂纹形成路径、范围和数量以及下面板位移的影响。结果表明:(1)冲击荷载作用下,上玻璃板中心首先产生大量细小裂纹和玻璃颗粒,随后径向裂纹不断向外扩展,同时产生大量环向裂纹;(2)随着玻璃K值的增加,LG裂纹扩展范围缩小、数量减少,下玻璃板中心位移减小;(3)随着玻璃厚度的增大,LG裂纹范围缩小、数量减少,下玻璃板中心位移减小。研究结果为LG抗冲击设计和安全防护提供了直接依据。     

混凝土材料动态力学性能实验与数值模拟研究

 利用轻气炮对素混凝土材料进行了3种不同冲击速度下的动态力学性能实验,得到了时间-应力曲线,随后利用软件进行数值模拟,将模拟结果与实验结果进行比较,解释了飞片和靶板破坏过程中波的传播过程。通过分析发现：混凝土材料表现出明显的率相关性、滞后效应和应力波的衰减特征,这些与材料内部损伤的演化密切相关;混凝土材料在压缩波、边侧稀疏效应和左、右自由表面反射拉伸波的共同作用下,最终形成宏观破碎;实验中靶板尺寸设计合理,有效避免了边侧稀疏效应对锰铜压阻计测试信号的影响。     

铁基材料的冲击相变与“反常”层裂研究

冲击相变是冲击波物理的重要组成部分之一,它探索和揭示物质在冲击压缩下结构和物态变化的临界现象和规律。层裂作为冲击载荷作用下材料的一种常见破坏模式,它是材料内部大量微损伤在极短时间内经历了成核、长大、连接演化过程的最终结果,与材料内部拉伸应力波的作用过程密切相关。材料的冲击相变特性强烈影响其层裂行为,如何将二者有机结合,揭示二者的关联机制是目前国内外研究关注的热点。     

脆性材料动态断裂的介观格子模型

岩石、陶瓷、玻璃、固体炸药等脆性材料在爆炸与冲击施加的强动载荷作用下易发生迅速的裂纹扩展和灾难性的断裂破碎,造成材料、器件、装置的功能失效和事故危害。理解脆性断裂过程中介观裂纹网络演化与宏观动态响应的关联是提升脆性材料可靠性和安全性的关键,但同时也是计算建模与数值模拟研究面临的难点。为了解决爆炸与冲击加载下脆性材料中裂纹网络随机萌生、裂纹面挤压摩擦、大量裂纹交错扩展等复杂过程带来的算法困难,一种无网格/粒子方法——"格子模型"得到了持续的关注和长足的发展。本文综述了格子模型的原理和方法,介绍了运用格子模型开展脆性断裂研究的代表性成果,分析了格子模型存在的不足与改进的方向。     

冲击压缩脆性材料中破碎波的几个问题

 从理论上讨论了在玻璃和岩石中冲击破碎波研究所存在的几个问题，如机制，是微裂纹开裂还是相变，为什么玻璃总从界面开始以及速度等问题。     

桌面式激光驱动冲击波技术及其在含能材料分子反应机制研究中的应用

利用小型化桌面式脉冲激光驱动冲击波可实现材料的快速动态加载,具有成本低、实验重复频率高、加载速率超高等特点。介绍了桌面式激光驱动冲击技术的研究工作,以及该技术在含能材料冲击点火分子反应机制研究中的应用。目前已搭建的纳秒激光驱动冲击波实验系统可以实现上升时间仅为几纳秒、峰值压力不小于2 GPa的超快动态加载,并发展了相应的冲击特性表征技术。利用该实验系统,研究了典型含能材料RDX的冲击感度,发现冲击高压导致的分子内电荷转移是影响材料感度的关键因素,高压下RDX分子杂环上的电子向NO2转移并导致硝基的反应感度增加。该研究成果为认识RDX的冲击反应机制提供了一定的实验依据。通过现有的以及即将开展的工作,希望能够建立一套完整的技术手段,为从分子层次上研究含能材料的冲击反应机理提供实验支持。     

固定温度界面对相变波传播规律的影响

冲击载荷作用下,相变波的传播及相互作用是一热力耦合过程。采用理论和实验相结合的方法研究了固定温度界面对相变波传播特性的影响。首先基于形状记忆本构模型和一维特征线理论分析了各类间断面和温度界面的基本相互作用规律,发现温度界面对相变波的作用与相变波强度及界面两侧温度的相对高低有关;然后进行了相变波在具有固定温度界面的形状记忆TiNi杆中的传播实验,并实时测量了相变波传播过程中的温度变化。实验结果与理论分析基本一致,冲击载荷作用下相变波不仅是物质间断面,还是移动的温度界面。     

平板冲击下氧化铝陶瓷弹性前驱波衰减的细观机理

利用一级轻气炮开展了不同厚度氧化铝陶瓷样品的平板冲击压缩实验,并借助激光速度干涉仪(VISAR)测试了样品的自由面速度历程.根据自由面速度历程确定了不同厚度氧化铝陶瓷样品的Hugoniot弹性极限值,结果显示,冲击压缩下氧化铝陶瓷中存在弹性前驱波衰减现象.进一步基于氧化铝陶瓷的细观结构扫描电镜(HEL)图像,分析了氧化铝陶瓷的细观结构特征,构建了含晶相、玻璃相等细观特征的力学模型.数值模拟冲击压缩加载下氧化铝陶瓷细观结构的力学响应过程,从细观层次上分析了弹性前驱波衰减现象的产生机理,指出冲击压力低于HEL时材料的细观损伤引起的能量耗散以及前驱波在细观结构晶界处反射和透射引起的能量分散过程是其产生的主要原因.