金属材料在极高应变率下的力学性能测试

金属材料广泛应用于国防工业和民用工程中,了解金属材料在强动载荷作用下的力学性能对武器和防护结构的设计和评估具有重要意义。通过在二级轻气炮上进行平板撞击实验,测定了93钨合金和921A钢在极高应变率下的动态屈服强度,详细介绍了实验的设计原理和实验数据的分析方法,并利用公式对93钨合金和921A钢的动态屈服强度进行分析。实验结果表明:93钨合金在应变率(冲击压力)分别为1.7×105 s^?1(49.5 GPa)和3.1×105 s^?1(84.1 GPa)下的屈服强度分别为2.10 GPa和2.78 GPa;921A钢在应变率(冲击压力)为3.6×105 s^?1(38.1 GPa)、4.7×105 s^?1(62.4 GPa)和6.2×105 s^?1(90.1 GPa)下的屈服强度分别为2.08、2.67和3.15 GPa;在极高应变率下93钨合金和921A钢的动态增强因子为2~3。     

液态N2、CO冲击压缩特性研究

 介绍利用液氮致冷技术实现低温靶的冷却及样品气体的液化,并通过二级轻气炮对液态气体加载进行平面冲击压缩,实验分别测得10～57 GPa一次冲击压缩下液氮和液态CO的Hugoniot关系数据。这些实验数据结果显示,33 GPa以上比其以下更容易压缩,这种现象本质是氮发生离解相变消耗内能的一种表现形势。液态在20 GPa以下表现为一种稳定的压缩过程,而在其以上则伴随有较为复杂的化学反应现象产生。此外,实验研究还发现,20 GPa以下N₂和CO两种分子液体的冲击压缩特性非常相似。     

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     

轻气炮低温靶的结构及液态CO2冲击压缩特性的研究

 介绍了一种二级轻气炮的低温靶（温度可调范围为180～290 K）系统以及高纯度低温分子液体样品的制备技术。利用该项技术，我们在低温靶中成功地制备出了符合冲击实验要求的液态CO₂样品，并在20~60 GPa区域获得7个冲击压缩数据点。经分析发现，液态CO₂在30 GPa附近发生了冲击相变。     

液态气体冲击压缩实验技术

 利用液氮制冷技术实现低温靶及气体样品液化,并通过二级轻气炮加载进行液态气体0～60 GPa的冲击压缩实验。较详细地讨论了制冷系统与样品靶、靶室内外各环节之间可靠的低温真空连接等工程问题,样品靶的温度调节与控制,液态气体样品的灌注及液体量（或液面） 的判断依据,样品压缩后的冲击波速度测量和电导率测量等技术问题。     

低温冲击压缩实验中的装置与测试技术

一种改进的低温靶系统,包括低温靶体,超冷气流发生器及其控制器,气泡沸腾状态监控仪和阳极化铝冲击波同轴探测器,已经成功地引入基于二级轻气炮的低温冲击压缩实验.详细地剖析了其中的几种专用部件,讨论了相应的实验方法.最后,为了验证该系统,将液体CO2单质样品一次冲击压缩到22～60GPa(220～600 kbar)得到的Hugoniot数据与早先的实验结果进行比较.结果表明,改进后的低温靶系统结构合理、简单,操作安全,功能较多,成本较低.同时,利用本系统获得的液体CO2样品的冲击压缩数据精度高,重复一致性更好.很容易推广到凝点在300～77K范围内其它简单分子物质的冲击压缩实验.甚至有可能用于液氦(4K)或液氢(20K)温区的冲击压缩实验.     

为实现准等熵压缩的波阻抗梯度飞片的实验研究

采用粉末冶金方法,制备出波阻抗沿厚度方向呈特定分布的WMoTi体系梯度飞片,在二级轻气炮上进行了梯度飞片击靶实验的初步研究.结果表明,利用梯度飞片可以实现对靶样品的准等熵压缩,击靶后产生的波阵面是平缓、连续上升的,明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面,靶面压力峰值最高达到了167GPa.波阻抗按二次函数分布的梯度飞片能够获得最佳的击靶波形 关键词： 波阻抗梯度飞片 准等熵压缩     

33 GPa压力以下液氩冲击温度的实验测量

 利用液氮冷靶系统制取液氩样品，以二级氢气炮作为加载工具，驱动飞片对液氩样品进行平面冲击压缩，实验测量了33 GPa冲击压力以下液氩的冲击温度。飞片速度由磁测速系统测量，冲击波速度和冲击温度用光纤耦合高温计系统测量，粒子速度采用阻抗匹配法计算得到。实验测得当冲击压力为33 GPa时，液氩的冲击温度超过10 000 K；而当冲击压力超过30 GPa时，冲击温度的上升趋势与理论计算相比明显变缓，该压力点正好与以前测得的冲击波速度-粒子速度曲线的拐点一致。     

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     

冲击高压下硝基甲烷的拉曼光谱及其结构稳定性

在单次冲击压缩实验中,借助新建的瞬态拉曼光谱技术实现了对液态硝基甲烷冲击拉曼光谱的原位观测,来探究该样品分子在冲击波作用下的结构稳定性。实验发现,在10.6GPa的冲击加载下硝基甲烷的拉曼特征峰仅发生了蓝移和展宽,而在观测波段未发现化学变化产生的迹象。这一结果否定了文献所报道的硝基甲烷在6GPa~8.5GPa的单次冲击压力区间内发生了化学反应的推论,同时也证实了在10.6GPa的冲击压力下硝基甲烷分子在约为516ns的压缩时间内能够保持其结构的稳定。     

超高压下冲击波速度直接测量技术

针对超高压下透明材料的高压离化机理,分析了透明材料中冲击波直接诊断技术的基本方法. 利用Drude-自由电子气模型,分析了不同冲击压力下冲击波阵面反射率的变化. 从理论上比较了不同探针光波长反射率的区别,发现探针光波长为660 nm时比探针光波长为532 nm时获得的冲击波阵面反射率要高. 对探测器"致盲"问题也进行了研究. 通过分析反射信号的时间顺序和强度大小,发现"致盲"效应是由X光对透明窗口离化引起的. 同时,发现方波驱动脉冲平台的前沿到达时刻和X光离化效应出现的时刻相同,冲击波信号到达时刻晚于X光离化时刻. 通过实验结果,得到蓝宝石中冲击波速度为35 km/s时,其波阵面的反射率约为40%. 通过理论分析和实验数据比对的方法,验证了蓝宝石中的减速曲线. 给出了加蓝宝石窗口后的测速公式. 经过和实验对比,确认了测速公式的正确性. 关键词： 冲击波 光学诊断 成像 干涉仪     

辐射驱动条件下冲击波速度直接测量技术

 针对超高压下透明材料的高压离化机理,分析了透明材料中冲击波直接诊断技术的基本方法。利用Drude自由电子气模型,分析了不同冲击压力下冲击波阵面反射率的变化。设计了专门的实验,将探测器致盲区与信号区错开,获得了蓝宝石中冲击波阵面反射的信号。结果表明:冲击波速度为32 km/s时,其波阵面的反射率约为35%,致盲效应出现时间与激光脉冲峰值到达时刻相同,持续时间也与激光脉宽相同。分析了致盲应产生的原因,并提出了解决办法。给出了加蓝宝石窗口后的测速公式,经过和实验对比,确认了测速公式的正确性。     

双屈服法测定93W合金的屈服强度

 用组合飞片技术以实现对待测材料93W合金进行加载-再加载和加载-卸载，并用VISAR（Velocity Interferometer System for Any Reflector）测试方法和高速数值示波器记录样品-窗口界面的粒子速度，通过上下屈服面法对实验数据进行处理，从而推出93W在冲击压力分别为16、32和96 GPa三个压力点下的屈服强度为：1.8、2.6和4.9 GPa。得到了93W合金在高压下材料屈服强度随冲击压力的增大而增大，但其与冲击压力的比值则随冲击压力的增加而减小的变化规律。     

基于神光Ⅲ原型的双轴速度干涉仪

在激光惯性约束聚变研究中不对黑腔和靶丸做额外处理的条件下,靶丸的早期驱动对称性一直缺少直观的观测手段.介绍了基于神光III原型装置发展的双轴任意反射面速度干涉仪技术及相应的实验结果.通过在靶丸内部安装小反射镜的方式,获得靶丸赤道及极区的冲击波速度历程.根据材料的反射率及其受X射线的影响程度,确定Al为现阶段反射镜的合适材料.对汇聚几何效应下的数据判读问题进行了分析,发现靶装配精度对该技术的影响很大.通过实验完成了双轴VISAR诊断技术的探索,可为进一步发展双轴速度干涉仪和多轴速度干涉仪的工作提供参考.     

基于速度干涉仪的冲击波精密调速实验技术研究

冲击波精密调速技术是惯性约束聚变研究的关键技术之一. 针对冲击波精密调速诊断技术的要求, 以神光III原型上脉宽为3 ns的两台阶整形激光脉冲为源, 用石英晶体做窗口材料, 模拟了双冲击在石英晶体中传输和追赶的过程. 利用两发典型双冲击波调速的实验数据, 验证了神光III原型具有的精密调速能力. 实验结果表明, 在驱动源、 靶和诊断系统参数一致的条件下, 两发实验获得的实验结果中两次冲击出现的时刻, 冲击波速度都很一致. 通过精细分析, 发现在两次冲击交会的时刻, 干涉条纹清晰度和完整性变化最大, 最终数据处理获得的冲击波速度偏差也最大. 同时, 在二次冲击的冲击波速度有较大增加的条件下, 并没有观察到冲击波阵面的反射率的明显增加. 本文的实验结果作为一个数据依据, 为全面开展冲击波调速实验提供了有效的方法.     

钽铌合金材料的冲击压缩特性研究

 对一种新型的钽铌合金材料进行了冲击压缩特性实验研究，通过超声测量得到了其常态下的横波和纵波声速，进而计算得到了其相关的一些静态力学参量。通过二级轻气炮加载技术，得到其在60~196 GPa压力范围内的冲击Hugoniot线。这一测量结果与混合物叠加法估算的结果符合较好，并将这种新型合金材料的力学特性与两种钨合金材料进行了简单对比。比较结果显示，Ta-Nb合金材料是一种具有较好工程应用前景的材料。     

激光驱动准等熵压缩透明窗口LiF的透明性

LiF在激光驱动高压实验中是比较常见的窗口材料, 其在冲击下透射或反射可见诊断光是作为窗口材料的重要特性. 在神光III原型激光装置上开展了带LiF窗口的铝样品准等熵压缩实验, 采用任意反射面速度干涉仪诊断获得准等熵压缩样品(CH/Al/LiF)的反射率. 实验结果表明在准等熵压缩后期反射率诊断出现致盲现象. 为此, 建立了带透明窗口的样品对诊断光的反射率模型, 模型考虑了窗口LiF压缩后透明性变化. 模型计算的CH/Al/LiF样品对可见光的反射率时间演化过程与实验结果符合较好. 研究结果表明: LiF中压缩波追赶逐渐形成强冲击波, 显著降低了LiF的透明性, 并最终发生致盲现象; 第一性原理方法所给出的LiF的能带间隙偏低1–2 eV; 该实验中, LiF的透明性完全消失时, LiF中波头处的温度约为1 eV, 压力为2–3 Mbar.     

Molecular dynamics study of thermal stress and heat propagation in tungsten under thermal shock

Using molecular dynamics （MD） simulation, we study the thermal shock behavior of tungsten （W）, which has been used for the plasma facing material （PFM） of tokamaks. The thermo-elastic stress wave, corresponding to the collective displacement of atoms, is analyzed with the Lagrangian atomic stress method, of which the reliability is also analyzed. The stress wave velocity corresponds to the speed of sound in the material, which is not dependent on the thermal shock energy. The peak pressure of a normal stress wave increases with the increase of thermal shock energy. We analyze the temperature evolution of the thermal shock region according to the Fourier transformation. It can be seen that the “obvious” velocity of heat propagation is less than the velocity of the stress wave; further, that the thermo-elastic stress wave may contribute little to the transport of kinetic energy. The heat propagation can be described properly by the heat conduction equation. These results may be useful for understanding the process of the thermal shock of tungsten.     

X射线烧蚀泡沫-固体靶增压机理研究

X射线烧蚀泡沫-固体靶时界面失配会使得泡沫与固体靶中压力增加, 这一现象可用于研究高压下物质的状态方程. 本文以CH泡沫-Al固体靶为例, 研究了X射线烧蚀双层靶时的增压现象. 提出仅当泡沫中有冲击波产生时, 在固体靶中才会有增压现象出现. 文中基于冲击波强波近似, 理论分析了冲击波过界面情况与冲击波、稀疏波作用过程, 得到增压倍数与材料密度, 多方气体指数的近似表达式. 同时表明固体靶中增压产生的冲击波为高压脉冲, 会被紧跟热波的稀疏波追赶并稀疏. MULTI一维计算结果验证了该结论.