冲击加载下环三亚甲基三硝胺的初始动态响应及反应机理

当前,对暴露于极端环境中的含能材料的相对安全性的关注日益增加.理解含能材料在冲击加载下的初始分解机理是探索新型高能顿感材料的基础.本文利用多尺度冲击技术(multi-scale shock technique,MSST)结合反应力场(ReaxFF)分子动力学的方法研究冲击加载下环三亚甲基三硝胺(RDX)的完美晶体和分子空位晶体的初始动态响应及反应机理,计算了可能参与反应的原子间径向分布函数,分析了不同冲击速度及分子空位缺陷对冲击加载过程的影响.结果表明:在冲击加载下,完美RDX晶体和空位RDX晶体的初始分解方式均为首先发生N—NO_2键断裂,随后是C-N键的断裂.此外,还可能会出现C-H键断裂,并有氢转移到硝基中的氧原子上形成HONO.随着冲击速度的增加,两种RDX晶体的化学键断裂数目增多,反应更强烈.分子空位缺陷的存在增强了 N—NO_2的反应活性,使其更易发生断裂,进而加速空位RDX晶体的初始反应.     

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.     

纳秒激光冲击加载的全过程诊断

 与传统的冲击加载方式相比,激光驱动试样具有微尺寸（直径小于1 mm,厚度约10 μm）、超短作用过程（纳秒量级）等特点,但其速度变化历史的实时诊断颇为困难,因此发展适用于激光驱动的高时空分辨率的实时测试技术是十分重要和有价值的。采用桌面式脉冲Nd:YAG激光器作为加载平台,发展了激光加载下的小焦点多普勒光纤探针测量系统（焦斑直径约200 μm,时间分辨力约50 ps）,成功实现了从激光脉冲驱动微尺寸飞片飞行直至撞击Z-切石英试样的全过程实时诊断。实验结果显示,将6 μm 厚Al箔飞片驱动至2.48 km/s时,撞击Z-切石英试样的粒子速度为1.27 km/s,与Hugoniot理论计算结果相符,表明该测试技术是可靠、有效的;多层薄膜靶结构设计（基底/烧蚀层/硅油/Al箔）可提升激光与靶物质的能量耦合效率,使飞片保持更好的宏观完整性。为开展超短脉冲激光加载下材料动态特性研究提供了一种有效的技术途径。     

含能材料的从头算分子动力学模拟

理解含能材料的物理化学性质、爆轰性能及分解机制,对于含能材料的分子设计、安全性评估及实际应用有着重要的指导意义。第一性原理分子动力学不但可以研究含能材料的物理化学性质,还可以用于研究含能材料的分解反应过程。本文综述了当前第一性原理分子动力学模拟含能材料的理论研究进展。首先讨论了含能材料的晶体结构和基本性质,如热学、力学、电学性质和结构的温度、压力效应。随后讨论了含能材料常压下单分子分解行为,侧重讨论了常压下含能材料的热解产物、热解机制及热解反应的动力学性质,其中含能材料的热解起始反应机制主要包括质子转移、C—N键断裂和N—NO2键断裂3种方式。同时,还对静水压、冲击波等加载条件对含能材料热解反应的影响进行了讨论,尤其是冲击波加载可能带来新的反应机制,如C—H键的断裂。     

激光驱动材料动态压缩技术

激光驱动动态压缩实验是极端高压高密度研究的主要途径,在多个学科领域具有重要意义,包括地球行星科学,材料科学以及惯性约束聚变,有助于认识极端条件下的材料特性并拓展其在各学科的应用。近年来激光驱动压缩技术在激光装置、激光等离子体、制靶和诊断技术的同步提升下取得了突破性的进展,与其他极端条件实验平台相比,其斜波压缩、复杂路径、衰减冲击等新型加载路径得到快速发展,微介观诊断技术和宏观诊断技术相结合,具有明确的超高压、高温、高应变率以及高同步精度等技术特色。从激光驱动材料压缩的热力学路径、激光驱动的机制与特色、激光驱动实验技术、材料极端压缩物理进展等方面介绍激光驱动实验和理论方面的进展。     

激光驱动高压下材料状态方程实验研究进展

利用激光驱动冲击波进行材料状态方程实验研究已逐渐成为实验室获得材料TPa以上高压状态方程数据的重要途径.文章简述了激光状态方程实验研究方面的进展,重点介绍了激光驱动冲击波的基本特性,激光状态方程实验测量方法,激光驱动冲击波平面性、稳定性及干净性研究,以及激光状态方程实验研究等方面的成果.     

“天光一号”驱动的聚苯乙烯高压状态方程测量

聚苯乙烯等CH材料的高压状态方程研究对于ICF聚变点火具有重要意义.本文基于"天光一号"长脉冲激光装置开展了聚苯乙烯高压状态方程研究,理论模拟了靶内的冲击动力学过程,采用侧向阴影成像技术实验测量了不同厚度的聚苯乙烯平面靶和飞片靶,获得了靶内的冲击波速度与粒子速度等状态方程参数.结果表明:长脉冲激光驱动下CH平面靶内经历了明显的准等熵加载过程,并逐渐演化为弱冲击加载.实验测量平面靶压力12 GPa,飞片撞击靶压力34 GPa,与模拟结果基本相符.     

激光驱动高压下材料状态方程实验研究进展

利用激光驱动冲击波进行材料状态方程实验研究已逐渐成为实验室获得材料TPa以上高压状态方程数据的重要途径.文章简述了激光状态方程实验研究方面的进展,重点介绍了激光驱动冲击波的基本特性,激光状态方程实验测量方法,激光驱动冲击波平面性、稳定性及干净性研究,以及激光状态方程实验研究等方面的成果.     

孪晶对Be材料冲击加-卸载动力学影响的数值模拟研究

在高压、高应变率加载条件下,孪晶变形对材料的塑性变形具有重要的贡献,而目前孪晶对金属材料的动态屈服强度、冲击响应等的影响还没有被充分揭示.为此,本文考虑孪晶变形和晶粒碎化,针对铍(Be)材料在高应变率加载下的动态力学响应发展了含孪晶的热弹-黏塑性晶体塑性模型.经过和实验结果的对比,发现该模型可以更准确地预测Be材料在动态加载下,尤其是高压动态加载下的屈服强度.进一步,基于该塑性模型研究了Be材料在冲击加载下的准弹性卸载行为,结果表明剪切波速随着压力和剪应变的变化而发生变化是材料产生准弹性卸载现象的主要原因.此外,研究了冲击波卸载过程中Be材料孪晶的演化过程,发现Be材料卸载过程中也伴随着孪晶的产生.     

辐射驱动下主动式高精度冲击波速度精密诊断技术

激光加载可以产生比气泡加载更高的压力,是高压状态方程研究中一种新的加载方式。在激光加载高压状态方程(EOS)研究中,台阶靶是常用的靶型。针对传统台阶靶存在的预热膨胀问题,提出了使用主动式任意反射面速度干涉仪(VISAR)进行台阶靶预热和冲击波测量的方法。该技术利用条纹图移动量计算厚度增加量,利用冲击波到达自由面产生条纹跳变的时刻来获得精确的冲击波到达时刻。通过修正已测量台阶厚度与膨胀量,可以获得更加精确的台阶厚度值。通过精确的时间间隔可以得到冲击波传输的时间。在匀速传输的条件下可以获得高精度的冲击波传输速度。该方法在辐射驱动超高压条件下具有很好的适用性,可以为状态方程实验提供高精度的冲击波速度数据。     

冲击压缩下PMMA的响应和光学特性

利用二级轻气炮测量了聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)在一维平面冲击压缩条件下的响应和光学特性。采用全光纤激光干涉测试技术(DPS)测量样品在冲击加载下的界面粒子速度和冲击波速度,获得了PMMA材料在冲击压力6~50GPa区间内的高精度冲击Hugoniot数据,冲击波速度不确定度小于1%。同时获得了冲击压缩条件下PMMA样品材料的高压折射率与密度的变化关系以及界面粒子速度修正系数,并实时观测到了PMMA材料中的表观冲击波速度剖面,讨论了冲击波速度剖面与真实冲击波速度的关系。     

神光Ⅲ原型装置激光驱动高速飞片实验研究进展

激光驱动飞片技术具有产生的飞片速度高、成本低、装置简单等传统动高压加载技术无法取代的优点.随着激光技术的发展,利用高功率激光脉冲发射高速飞片受到越来越多的关注.本文介绍了在神光Ⅲ原型装置上开展的激光驱动高速飞片实验研究.利用纳秒短脉冲和纳秒整形长脉冲,设计并开展了几种不同方式加速飞片的实验研究,成功获得了10 km·s~(-1)的固态铝飞片和50 km·s~(-1)超高速度的复合金属飞片,而且飞片具有良好的平面性和完整性.对实验的物理设计、技术途径和数据结果进行了比较全面的分析,为进一步开展激光驱动高速飞片相关实验研究提供了思路,同时也证明了神光Ⅲ原型装置在激光驱动高速飞片实验研究方面有着巨大的潜力.     

未反应JBO-9021炸药冲击雨贡纽曲线的研究

采用激光干涉测速技术和楔形炸药,对未反应钝感高能炸药JBO-9021的冲击雨贡纽曲线进行了实验研究。通过激光干涉测试技术对楔形炸药冲击波后不同位置的多点粒子速度进行测试,获得一组不同压力下未反应炸药中的波后粒子速度和冲击波速度,通过曲线拟合得到未反应炸药的冲击雨贡纽曲线。同时将未反应炸药的冲击雨贡纽曲线和冲击波阵面的Rankine-Hugoniot关系进行联立,获得未反应炸药的状态方程。     

高压高应变率加载下多晶相变的原位X射线衍射

高功率激光可通过直接烧蚀产生高温、高压、高应变率的物质状态,同时也可驱动金属箔产生与之精密同步的超短超强X射线源,成为利用原位X射线衍射技术研究材料在极端高温、高压、高应变率下相变动力学的重要实验平台.本文基于原型高功率激光装置建立高压、高应变率加载下材料相变的原位X射线衍射诊断平台,并以典型金属钒和铁为例开展冲击相变的原位观测.实验表明,在高应变率(108—109s-1)冲击加载下,金属钒在69 GPa时依然保持体心立方结构不变,而金属铁在159 GPa时已经由体心立方结构转变为六角密排结构,均与文献报道一致.同时原位X射线衍射实验测量的材料压缩特性与宏观Hugoniot曲线符合得很好.利用原位X射线衍射技术研究高应变率动态加载下材料的相变行为对理解材料相变的应变率效应和动力学过程具有重要的科学意义,同时对提高材料工程服役的可靠性以及突破材料极端环境服役的发展瓶颈具有重要的工程价值.     

强激光加载下高压液氘材料的电导率

液氘在高压下有丰富的电学光学性质。利用反射率和相对介电函数关系并从广义极化角度出发初步建立了计算低Z材料电导率的简易模型;在神光-Ⅱ装置上利用第九路激光冲击加载液氘材料并测量了其在强激光冲击下的高压状态参数和反射率。结合上述理论模型和实验,研究了高压下液氘的电离度和电导率。结果表明,液氘在约70 GPa时的电导率约为2.87105 (Wm)-1,已呈现出较为明显的金属电导特性。显然,冲击加载下液氘从绝缘分子态开始电离并向金属氘转变发生在更低的压强。     

聚乙烯冲击压缩特性实验研究

利用神光Ⅱ装置第九路输出的倍频激光,采用直接驱动方式研究了聚乙烯(CH₂)材料的冲击压缩特性.实验表明聚乙烯冲击波阵面自发辐射较强,冲击波在聚乙烯台阶中的传播比较稳定.采用阻抗匹配方法,以铝作标准材料,测量了聚乙烯的冲击绝热线,聚乙烯冲击压强达0.54 TPa,冲击波速度测量相对扩展不确定度~2%(K=2),实验数据的一致性较好,与已有低压实验数据及状态方程解析模型比较符合. 关键词： 聚乙烯 冲击绝热线 自发辐射 倍频激光     

强激光加载下高压液氘材料的电导率

液氘在高压下有丰富的电学光学性质。利用反射率和相对介电函数关系并从广义极化角度出发初步建立了计算低Z材料电导率的简易模型;在神光-Ⅱ装置上利用第九路激光冲击加载液氘材料并测量了其在强激光冲击下的高压状态参数和反射率。结合上述理论模型和实验,研究了高压下液氘的电离度和电导率。结果表明,液氘在约70 GPa时的电导率约为2.87105 (Wm)-1,已呈现出较为明显的金属电导特性。显然,冲击加载下液氘从绝缘分子态开始电离并向金属氘转变发生在更低的压强。     

基于神光III原型的整形激光直接驱动准等熵压缩实验研究

整形激光直接驱动准等熵压缩实验技术对新材料科学、冲击波物理、地球物理学研究等领域有重要意义. 设计特定的实验条件, 可以将材料压缩到冲击压缩和等熵压缩都无法达到的状态, 从而为材料研究提供新的技术途径. 介绍了在神光III原型装置上开展的直接驱动准等熵压缩实验, 对理论基础、实验靶型、实验结果、关键技术、实验特点和数据都进行了较详细的分析. 通过实验和相应的数据处理程序, 获得了加载面上压力超过400 GPa的数据, 这是目前国际上用激光直接驱动的方式获得的Al材料中最高的压力. 同时, 对经过LiF窗口获得的表观粒子速度与真实粒子速度的关系进行了分析, 获得了一条对表观粒子速度进行动态修正的曲线, 从而使粒子速度的计算更加准确. 对实验的改进方向进行了比较明确的分析. 所提供的数据和分析过程对该领域的研究人员有一定的参考价值.     

飞秒激光精细加工含能材料

介绍了飞秒激光脉冲特点及其与物质相互作用机理, 论述了飞秒激光微加工含能材料技术特点及优势, 综述了飞秒激光加工含能材料技术及发展. 讨论了飞秒激光加工含能材料技术进一步发展所需的实验与理论研究工作以及相应的研究方案和关键技术. 关键词： 飞秒激光微加工 含能材料 冲击温度 冲击压强     

激光加载下铝材料的冲击温度测量

利用神光Ⅱ装置上搭建的用于激光冲击波实验的温度诊断系统（该系统包括高时空分辨的扫描高温计和谱时分辨的扫描高温计）,以强激光加载铝材料冲击温度的测量,获得了铝材料冲击高温辐射发光谱的高时空分辨信号图像,结合灰体辐射理论模型,计算得到了冲击波速度19.06 km/s时铝材料的冲击温度达2.95 eV,该温度与SESAME库中冲击温度接近。研究结果表明采用该测温系统能够有效诊断金属材料的冲击温度,为后续进一步获取金属材料冲击温度数据奠定了基础。