斜波压缩下锡的相变动力学特性

利用磁驱动加载装置(CQ-4)和高精度速度测试装置(DPV),开展了斜波加载下锡的动态压缩实验。实验结果表明:锡在加载阶段经历了弹塑性转变和相变等物理过程,相变压力约为7.5 GPa。β–γ相变对应的特征速度随着锡厚度的增加,从676.3 m/s减小到636.8 m/s,对应的压力从7.62 GPa降低到7.11 GPa。结合Hayes多相状态方程和非平衡相变动力学模型,对锡的斜波压缩实验过程进行了模拟,数值计算结果可以较好地描述锡在加载阶段的弹塑性转变和相变等物理过程。讨论了体模量在不同热力学过程中的物理形式,计算结果显示,斜波压缩过程需考虑压力对体模量的修正。分析了相变弛豫时间、体模量等典型物理参数对速度波形的影响,结果表明,相变弛豫时间和各相初始自由能主要影响混合区部分速度波形,γ相的体模量参数只影响相变后的速度波形,β相的体模量参数会影响整体速度波形。     

铋的固相及液相多相状态方程研究

铋在高温高压下存在一系列复杂相结构,相变伴随着密度、内能等物理性质的改变.采用半经验三项式Helmholtz自由能表达式,构建了铋的五个固相及液相的多相状态方程,其中离子热振动自由能计算基于经典平均场理论给出的平均场势函数模型开展.研究结果表明,状态方程计算给出的铋的相图、等温压缩线、液相的温度-密度曲线以及冲击Hugoniot线等均与实验测量符合较好,故可认为本文构建的铋的多相状态方程具有良好的参数合理性以及模型适用性.     

液氘单次冲击压缩的QMC模拟研究

液氢在较宽压力与温度范围内具有复杂的物理特性,须从分子层面构建精确模型开展探索研究。利用电子-核耦合的CEIMC法模拟液氘单次冲击实验,分析了液氘冲击特性,当压力达50.3GPa时液氘具有最大压缩率4.48,在110GPa冲击压力附近未发现有压缩率急剧增大的迹象。选用合适的Al基板材料模型,建立了液氘单次压缩状态与实验条件间的关系,总结了单次冲击实验规律。得到的状态方程与现有动高压实验结果一致,也与经修正后的100GPa以上压力的Omega激光实验值吻合,说明采用基于共振价键理论的波函数后,CEIMC法可应用于液氘的冲击模拟。     

冲击压缩下铝、铜、钨的剪切模量和屈服强度与压力和温度的相关性

对铝、铜和钨在冲击压缩状态下的剪切模量和屈服强度的实验数据进行了综合分析，并与St einberg-Cochran-Guinan(SCG)模型的计算结果进行了比较，结果表明，铝在50 GPa、铜在1 00 GPa、钨在200 GPa冲击压力以内，三种材料的剪切模量和屈服强度随温度和压力的变化 趋势基本相似，即SCG模型的假设Y′_pY₀=G′_pG ₀,Y′_TY₀=G′_TG₀对这三种材料在上述冲击压力范围内近似成立，利用该模型可以较好地描述材料在冲击压缩 下的本构行为. 关键词： 剪切模量 屈服强度 压力 温度     

固体套筒内爆非冲击压缩研究北大核心CSCD

Z箍缩上的套筒准等熵压缩技术可以用来研究材料的高压状态方程。通过MDSC磁流体力学程序,以铝为负载材料,对PTS shot37负载电流进行非冲击压缩负载设计。结果显示,在原始电流下,没有合适的铝套筒尺寸可以实现非冲击压缩;对原始电流进行波形调节,将电流上升时间调为202和303ns后,获得了满足非冲击压缩条件的套筒尺寸范围。当电流上升时间为303ns时,半径为2.5mm,厚度为0.6mm的套筒尺寸在电流最大时刻,保留固相的厚度为0.12mm,此时固相最大压力为63GPa,最大内爆速度为15km/s。     

固体套筒内爆非冲击压缩研究

Z箍缩上的套筒准等熵压缩技术可以用来研究材料的高压状态方程。通过MDSC磁流体力学程序,以铝为负载材料,对PTS shot37负载电流进行非冲击压缩负载设计。结果显示,在原始电流下,没有合适的铝套筒尺寸可以实现非冲击压缩;对原始电流进行波形调节,将电流上升时间调为202和303ns后,获得了满足非冲击压缩条件的套筒尺寸范围。当电流上升时间为303ns时,半径为2.5mm,厚度为0.6mm的套筒尺寸在电流最大时刻,保留固相的厚度为0.12mm,此时固相最大压力为63GPa,最大内爆速度为15km/s。     

冲击加载下NaCl单晶高压声速与温度的同步测量

基于二级轻气炮和多通道辐射高温计,测量了45~85GPa压力范围内NaCl单晶的B2相区、B2-液相混合相区和液相区的高压声速和温度。通过高压声速数据,确定了NaCl单晶的冲击熔化压力区间为58~67GPa。当压力为67GPa时,NaCl单晶的冲击熔化温度为3 740K。计算了NaCl单晶的等熵体模量、Grüneisen系数和定容比热容,对比分析了多种模型对Grüneisen系数高压演化特性的描述。结果显示,根据吴强模型计算的Grüneisen系数不但在液相区与冲击压缩实验结果吻合得非常好,而且在低压区也与金刚石压砧实验结果及有限应变计算结果吻合得非常好。     

Grüneisen系数与铝的高温高压状态方程

基于Gray金属三相状态方程模型,分别采用ργ=常数,Gray,GRIZZLY的Grüneisen系数模型和从头算给出的Grüneisen系数,系统计算了铝的熔化曲线、等熵压缩线、等温压缩线和等熵卸载线,计算结果与实验数据比较表明;在冲击压力约为500GPa的宽广压力范围,GRIZZLY Grüneisen系数模型是最适合描述铝的热力学特性的形式,ργ=常数模型次之,在高压区,Gray和从头算的Grüneisen系数的计算结果与实验值差距较大. 关键词： Grneisen系数 状态方程 铝     

高温高密度氩物态方程研究

用Exp-6有效两体势模型和液体变分微扰理论计算了液Ar冲击压缩曲线,在35 GPa以下的压力范围内计算的冲击压缩曲线与Thiel 及Nellis等人的实验数据进行了比较.液体分子间Exp-6有效两体势参数根据实验数据计算优选出最佳值,计算结果表明得到的优选参数较为准确地描述了液Ar分子间相互作用.由理论结合实验数据可以认为液氩体系在冲击压力36 GPa以下无相变现象.对较高冲击压力下理论计算的冲击曲线和实验结果之间的偏差作了分析,结合不透明度实验的结果,得到当压力超过35 GPa,温度在12 000 K     

CdTe的状态方程及其高压相变

 用金刚石压砧高压X光衍射技术研究了Ⅱ-Ⅵ族化合物CdTe的室温状态方程和室温高压相变。实验的最高压力达39.2 GPa。实验中发现CdTe从(3.3±0.1)GPa开始从闪锌矿结构相相NaCl结构相转变，相变时体积收缩15.8%；从(10.3±0.2)GPa开始从NaCl相向β-Sn结构相转变，相变时无体积突变；在(12.2±0.2)GPa由β-Sn相向正交结构相转变，相变时也无体积突变。CdTe的压缩数据用最小二乘法以Bridgman状态方程和Murnaghan状态方程拟合，得到其零压时合相变压力时各个相的体弹模量及体弹模量的压力微商，并与其它的实验合理论结果进行比较。     

金属Bi的卸载熔化实验研究

在火炮上利用金属铋(Bi)直接撞击单晶LiF窗口, 开展了金属Bi反向碰撞的冲击加载-卸载实验研究, 实验采用激光位移干涉测试系统, 获得了金属Bi在11—16 GPa压力范围内完整的卸载粒子速度剖面. 实验结果结合特征线方法计算表明, 金属Bi经冲击加载进入体心立方相, 并在11—16 GPa冲击压力作用下发生了卸载熔化, 界面粒子速度剖面的卸载拐点, 对应着金属Bi经冲击加载后发生的卸载熔化, 而这一结论同Cox的理论计算及一维流体力学程序计算结果基本一致. 本文报道的金属Bi卸载波剖面解读技术, 对于认识冲击加载下其他相似材料相变具有实用价值.     

基于Helmholtz自由能模型的聚乙烯的完全物态方程

基于Helmholtz自由能建立了聚乙烯的完全物态方程,通过该模型计算获得了聚乙烯的150 GPa压力范围内的冲击Hugoniot关系、冲击波温度-压力关系,计算结果与已有实验结果和分子动力学计算结果均符合较好,表明构建的物态方程对描述聚乙烯离解相变压力150 GPa内的热力学量具有很好的适用性.     

非饱和黏土平板撞击实验及状态方程的研究

利用口径为24mm的二级轻气炮实验装置,结合磁测速和光纤探针动态测试技术,分别对含水率为0、8%和15%的3种非饱和黏土试样进行了平板撞击实验,试样的压力峰值区间为1.29~32.54GPa。实验结果表明,含水率对非饱和黏土的冲击压缩特性影响明显。当非饱和黏土受到冲击压缩时,孔隙被进一步压实,滞留在黏土孔隙中的水和空气来不及排出,从而与黏土中的固体颗粒一起,共同支配非饱和黏土的冲击压缩特性;而由于水的相对不可压缩性,导致黏土的可压缩性随着含水率的升高而下降。提出一种修正的三相混合物状态方程,对3种含水率试样的压力-密度曲线进行了拟合,结果表明,该状态方程能够较好地描述不同含水率非饱和黏土的压力-密度关系。     

35 GPa斜波加载下RDX单晶炸药的动力学行为

利用磁驱动斜波加载10 MA装置和激光干涉测速技术,开展了35 GPa压力下(100)晶向RDX单晶炸药的斜波压缩实验,获得了RDX单晶/LiF单晶窗口界面速度数据。实验结果显示,速度波剖面表现为明显的三波结构,由低到高依次对应弹性波、塑性波和相变波,α-γ相变的起始压力为3.1 GPa。结合修正的多相状态方程和非平衡相变动力学模型,对RDX单晶炸药的斜波压缩过程开展一维流体动力学数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致。     

200 GPa压力范围内铝和铜的等熵压缩线计算

 将冲击Hugoniot线作为Grüneisen物态方程的参考线，以冲击的初始状态为参考状态，推导得到线性和二次曲线表示的冲击绝热线所对应的等熵压缩线方程，计算了200 GPa压力范围内铝和铜两种材料的等熵压缩线，并且计算了以Hugoniot关系为基础的Appy经验物态方程导出的等熵压缩线。计算结果表明，以Appy经验物态方程导出的等熵压缩线与以线性冲击绝热线导出的等熵压缩线接近，在200 GPa压力范围内两者相差不到1.5%。将计算得到的铝的等熵压缩线与美国Sandia实验室ICE实验Z864数据进行了比较，由线性Hugoniot得到的等熵压缩线与实验数据相差不到1%，由Appy经验物态方程得到的等熵线与实验数据几乎重合，说明在200 GPa压力范围内，以Appy物态方程和以线性Hugoniot为参考来计算的等熵压缩线有较高的精度。     

铁冲击相变的晶向效应

采用基于火炮加载的三样品精细波剖面对比测量,研究了晶向效应对铁弹-塑性转变及体心立方结构(bcc,α相)至六角密排结构(hcp,ε相)相变特性的影响.观测到单晶铁异常的弹-塑性转变行为,这与基于位错密度描述的黏塑性本构模型计算结果相符,对应的Hugoniot弹性极限δ_(HEL)均大于6 GPa,且具有晶向相关性,即δ(111)/(HEL)δ(110)/(HEL)δ(100)/(HEL);系统获取了相变起始压力P_(PT)晶向相关性的实验数据,[100],[110]和[111]晶向的PPT实测值分别为13.89±0.57 GPa,14.53±0.53 GPa,16.05±0.67 GPa,其变化规律与非平衡分子动力学计算结果相符.上述结果揭示出冲击压缩下单晶铁存在塑性与相变微观机理的强耦合,为完善用于冲击实验描述的相场动力学模型提供了重要的实验支撑.     

高温高压下液态铁的状态方程

基于高温高压下面心立方(FCC)铁的状态方程和熔化温度实验数据,建立了热力学模型计算FCC铁、固-液混合相、液态铁在高温高压下的状态方程.在相同密度和温度下,计算的FCC铁、固-液混合铁、液态铁的压强与实验测量结果较为一致,且计算结果与实验结果平均偏差分别为-1.61 GPa、1.05 GPa、-0.05 GPa.在0～100 GPa压强范围内,当铁完全发生熔化时,随着压强的增大其密度变化由-7.5%下降至2.7%.     

铀高压状态方程的第一原理研究北大核心CSCD

利用基于密度泛函理论的赝势平面波方法,研究了铀的状态方程。基态计算结果表明:在100GPa的压强范围内,α-U结构是最稳定的相。利用量子分子动力学方法(QMD),计算了有限温度下的状态方程,在此基础上计算了冲击Hugoniot点,并与实验数据及其他理论计算结果进行了比较,结果表明:在100GPa以下的压力区域内,QMD计算结果与实验结果符合得很好,而用快速计算状态方程(QEOS)方法计算的结果偏软。     

窗口声阻抗对锆相变动力学的影响

基于磁驱动加载装置CQ-4开展了锆的斜波压缩相变实验,研究了锆样品后表面窗口声阻抗对相变波形的影响.实验结果显示,锆后表面为较低声阻抗窗口(自由面和LiF窗口)时,相变起始对应的特征粒子速度约331.0 m/s,而高阻抗蓝宝石窗口时,特征粒子速度约301.9 m/s,特征速度对应的压力从约9.14 GPa下降到8.27 GPa.相变对应的速度特征拐点是与多种因素相关的实验信息,因此它对应的压力并不是材料属性参数相变压力.结合基于热力学Helmholtz自由能的多相状态方程和非平衡相变动力学方程开展了锆的相变动力学数值模拟研究,相变弛豫时间为30 ns,计算结果与三种情况的实验结果符合良好,可以较好地模拟斜波压缩下锆的弹塑性转变、相变等物理过程.在压力-比容和温度-压力热力学平面,相变前锆的准等熵线与冲击绝热线差异很小,相变后准等熵线都位于冲击绝热线下方,随着压力的增加准等熵线和冲击绝线偏差越来越大,温度-压力平面中在20 GPa时相差约100 K.相变开始后,由于相变引起比容的间断,导致锆的拉氏声速迅速下降约7%,相变完成后拉氏声速恢复到体波声速.     

铀高压状态方程的第一原理研究

利用基于密度泛函理论的赝势平面波方法,研究了铀的状态方程。基态计算结果表明:在100GPa的压强范围内,α-U结构是最稳定的相。利用量子分子动力学方法(QMD),计算了有限温度下的状态方程,在此基础上计算了冲击Hugoniot点,并与实验数据及其他理论计算结果进行了比较,结果表明:在100GPa以下的压力区域内,QMD计算结果与实验结果符合得很好,而用快速计算状态方程(QEOS)方法计算的结果偏软。