RDX单晶炸药的冲击-斜波加载实验研究

基于磁驱动加载装置CQ-4,完成了冲击-斜波复杂加载实验设计,开展了RDX单晶(210)、(100)两个晶向在不同加载压力下的冲击-斜波压缩实验,获得了RDX单晶样品与LiF窗口界面的速度历史曲线和纵波声速。实验结果显示:速度波剖面可分为冲击压缩、斜波压缩和卸载3部分;当冲击压力较高时,冲击压缩段中不再出现弹塑性转变以及4 GPa附近相变的速度特征波形;当冲击压力较低时,在冲击压缩段观测到了弹-黏塑性波形。     

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。     

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。     

20 GPa斜波压缩下PBX-14炸药的动力学响应

利用磁驱动加载实验技术和激光干涉测速技术,开展了未反应固体TATB基PBX-14炸药的斜波压缩实验,获得了20 GPa峰值压力下PBX-14炸药的后表面速度波剖面实验数据。基于阻抗匹配修正的迭代Lagrange数据处理方法处理实验数据,获得了0~20 GPa压力范围内PBX-14炸药的压力-相对比容关系、高压声速-粒子速度关系等动力学特性参数。结合等熵状态方程和由实验获得的动力学参数,对PBX-14炸药的斜波压缩实验过程开展了一维流体动力学数值模拟,计算结果与实验结果吻合良好,验证了本实验方法、数据处理方法及选取的物理模型的正确性。     

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。     

斜波发生器的设计准则

 导出了斜波发生器的设计准则，它可表示为γ<-[(2/3)+(g/2)]，或者为α<-[(2/3)+(g/2)](c_V/c²)（γ为Grüneisen系数，α热膨胀稀疏，c_V定容比热容，c流体力学声速，g材料系数）。对一种微晶玻璃的实验测量结果表明，它可用做斜波发生器，在其厚度为20.39 mm时，可以把冲击波改造成上升时间约800 ns的加速度波。     

压缩加载下三种含能材料细观破坏特征观察

 通过扫描电镜,对三种含能材料在不同应变率压缩条件下回收的试样断面进行了细观观察,得到了三种含能材料的细观破坏特征,并对其破坏机理进行了分析。同时结合高聚物粘结炸药（PBX炸药）和压装B炸药组分的比较,分析了两种炸药在高应变率条件下的不同破坏模式。     

冲击压缩下NaCl单晶光辐射特性的研究

 用光辐射技术研究了氯化钠单晶冲击压缩下的光辐射特性,得到了在45～70 GPa压力范围内NaCl单晶的光谱吸收系数随冲击压力的变化,把这一结果与Kormer等人的结果比较,发现在较低压力下与Kormer等人的结果相差较少,当压力较高时实验结果比Kormer等人的结果约大1个数量级。并用实验结果计算了电子迁移率随冲击温度的变化,得到的结果与Ziman理论基本一致,从而解决了一直来Kormer的实验结果与Ziman理论不一致的困难,进一步证明了Ziman理论的正确性。     

冲击载荷下分层梯度泡沫材料中的应力波传播特性

以一维应力波传播理论为基础,建立了3层金属泡沫材料受到刚性块撞击时的理论模型,研究了刚性块撞击3层泡沫圆杆时的动力响应过程,从理论上给出了刚性块在撞击过程中的速度衰减规律数值解。利用ANSYS/LS-DYNA分析了受刚性块撞击时塑性应力波在3层泡沫材料中的传播过程,比较了刚性块以及层间界面处节点速度的变化规律。通过对比有限元结果与理论结果发现:理论模型能够较好地预测冲击载荷下分层泡沫材料各界面的速度衰减规律;3层梯度泡沫材料比相同质量的单层均质泡沫材料具有更加高效的吸能和缓冲能力。由于理论假设忽略了反射波以及泡沫材料应变硬化效应的影响,理论解与有限元模拟结果之间存在一定的误差。     

海底沉积物压缩波速度与切变波速度的关系

基于连续介质假设,根据无吸收各向同性弹性介质通用方程分析沉积物声波传播关系,提出应用弹性结构分布因子表达的声速通用模型(GMSS,General Model of Sound Speed)分析海底沉积物的声速特性;通过研究Willey时间平均模型、Wood方程、Gassmann方程、Buckingham模型、Biot-Stoll模型和EDFM模型,可以表述成GMSS通用模型中的弹性结构分布因子的具体表达形式,得出GMSS通用模型在解释压缩波速度和切变波速度特性上具有一致性的特点。GMSS通用模型具有弹性结构分布因子、孔隙度、孔隙海水的等效密度和等效弹性模量、固相颗粒的等效密度、固相颗粒的等效体积弹性模量和等效切变弹性模量共7个参数,为研究海底沉积物压缩波和切变波速度提供了一种模型简单、参数少、通用性强的方法。但也需要从物理结构上以及应力应变关系上开展更为深入的分析和探寻GMSS模型的物理意义和参数测量的方法。     

单次冲击压缩下液态硝基甲烷的拉曼光谱

在单次冲击压缩实验中,运用高敏度瞬态拉曼光谱技术观测了液态硝基甲烷分子的拉曼光谱. 将该拉曼测量技术与二级轻气炮的实验平台结合起来,获得硝基甲烷分子振动模式的高压动态行为. 硝基甲烷被12 GPa压力冲击时的拉曼光谱可清晰探测,其拉曼振动峰仅仅发生了峰位蓝移和峰宽展宽的变化,未显示出化学变化产生的迹象.     

来流边界层效应下斜坡诱导的斜爆轰波

以超声速预混气中的斜爆轰波为研究对象,对其在来流边界层效应下的特性进行了实验研究.在马赫数为3的超声速预混风洞中,通过斜坡诱导产生了斜爆轰波.当来流的当量比较低时,预混气中产生的是化学反应锋面与激波面非耦合的激波诱导燃烧现象.此时边界层分离区中的化学反应放热将使分离区尺度显著增大,流场非定常性显著增强,激波位置剧烈振荡.当来流的当量比较高时,预混气将产生斜爆轰波.此时边界层分离区会影响到斜爆轰波起爆时的形态.在小尺度分离区下,斜爆轰波起爆时呈突跃结构(有横波);在中等尺度分离区下,流场固有的非定常性使斜爆轰波呈间歇突跃结构;在大尺度分离区下,斜爆轰波起爆则呈完全的平滑结构(无横波).     

非均匀来流中斜爆轰波对扰动的动态响应特性

在斜爆轰推进系统中,经过进气道压缩的气流速度仍然很大,导致斜爆轰波前的气流难以达到均匀预混,进而对斜爆轰波系产生影响。以高空飞行条件下非均匀来流中的斜爆轰波系为对象,采用Euler方程结合氢气-空气基元反应模型,通过波角变化和波面位置偏移研究了斜爆轰的受扰动特性。采用当量比作为非均匀的表征变量,在斜爆轰波面上游引入了一个高度可变的扰动区,定义φ_A为扰动幅值,扰动区的当量比分布通过正弦函数进行模化。研究发现,随着φ_A的减小,波角减小,波面向下游移动;随着φ_A的增大,波角增加,波面向上游移动。当φ_A为负值且足够小时,可以观察到波角突变的新现象,分析表明此现象源于来流当量比非均匀作用下的重新起爆。当φ_A为正值且足够大时,被扰动区的波角处于非平衡状态,较大的当量比梯度会导致其高于理论值,而较小的当量比梯度会导致其低于理论值。对波面位置的偏移量进行了量化分析,发现波面位移随φ_A的变化仅在其为正值时是非线性的,在其为负值时是线性的,随扰动区高度的变化也是线性的。     

非旋波近似下压缩真空场与三能级原子依赖强度耦合系统的光场压缩

利用全量子理论,研究了非旋波近似下压缩真空场与V型三能级原子依赖强度耦合相互作用系统中光场的压缩效应.数值计算结果表明:光场呈现出周期性压缩现象,而虚光子过程则对光场的压缩具有抑制作用并产生量子噪声,量子噪声大小依赖于光场的初始压缩因子r和光场频率ω,且与原子-光场耦合强度g有关.随着r的增大,虚光子过程对光场压缩抑制作用程度由弱到强再由强到弱;随着ω和g的增大,量子噪声分别减小和增大.     

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.     

爆炸烧结制备W-Al含能结构材料及其准静态压缩特性研究

通过爆炸烧结法,采用不同粒度的W、Al混合粉末,成功制备了近乎致密的W-Al含能结构材料(ESM)。研究发现:冲击波压力是粉末致密化的主导因素,粉末粒径对烧结密度和微观结构的影响显著,W的粒径越小,颗粒团聚越明显,从而阻碍致密化,在致密块体中形成连续分布的W相。所制备样品的最大抗压强度和失效应变分别达到288 MPa和20%,材料的力学性能和断裂模式主要取决于连续相,Al相连续的ESM抗压强度低、塑性较好,呈轴向劈裂破坏;而W相连续的ESM则表现出脆性和高抗压强度,破坏模式为剪切破坏,与Al的低强度高塑性和W高强度脆性特性一致。     

黏弹介质包裹的充液管道中低频轴对称波传播特性

研究埋地充液管道中低频轴对称波传播特性。将土壤考虑为黏弹介质,结合Kennard薄壳方程和Kelvin-Voigt线性黏弹性模型,引入土壤载荷矩阵,推导出土-管滑移情形下流体主导波和管壁压缩波的相速度表达式。通过数值模拟计算得到流体主导波和管壁压缩波的频散和衰减曲线并进行可靠性验证,分析两种波引起的管壁径向位移之比,讨论厚径比和品质因子对流体主导波传播的影响。结果表明,黏弹介质对流体主导波和管壁压缩波的相速度影响较小,但对衰减影响较大;流体主导波对管壁径向位移有较大的影响,是泄露噪声传播的主要载体;厚径比越大,流体主导波的相速度越大,衰减越小;而品质因子越大,流体主导波的频散和衰减都越小。研究结果可为埋地充液管道的泄漏检测提供一定的理论参考。     

磁驱动准等熵压缩下单晶氟化锂的光学特性

以"阳"加速器和PTS装置为驱动源,开了展单晶氟化锂(LiF,通光方向[100])窗口材料在准等熵压缩下的光学特性实验研究。应用全光纤激光多普勒探针系统(DPS,激光波长1550nm)同时测量了Ly12铝材料电极加窗和未加窗的后界面速度历史,结合窗口材料修正方法获取了单晶氟化锂窗口材料在实验条件下折射率随密度的变化和界面粒子速度修正因子。每次实验可获取窗口材料样品的连续加载历史数据,进而处理得到LiF窗口材料在近50GPa准等熵压力范围内的修正因子。结合拟合的线性关系,进一步处理获得了在实验过程中折射率随密度的变化。将这些实验结果与D.E.Fratanduono,Y.Ma,B.J.Jensen的对应数据比较,其中与光子多普勒测速系统(PDV,1550nm)测量结果基本相符,不确定度与多次冲击实验得到的结果相当。     

磁驱动准等熵压缩下单晶氟化锂的光学特性

以阳加速器和PTS装置为驱动源,开了展单晶氟化锂(LiF,通光方向［100］)窗口材料在准等熵压缩下的光学特性实验研究。应用全光纤激光多普勒探针系统(DPS,激光波长1550 nm)同时测量了Ly12铝材料电极加窗和未加窗的后界面速度历史,结合窗口材料修正方法获取了单晶氟化锂窗口材料在实验条件下折射率随密度的变化和界面粒子速度修正因子。每次实验可获取窗口材料样品的连续加载历史数据,进而处理得到LiF窗口材料在近50 GPa准等熵压力范围内的修正因子。结合拟合的线性关系,进一步处理获得了在实验过程中折射率随密度的变化。将这些实验结果与D.E. Fratanduono, Y. Ma, B.J. Jensen的对应数据比较,其中与光子多普勒测速系统 (PDV, 1550 nm)测量结果基本相符,不确定度与多次冲击实验得到的结果相当。     

局部相空间压缩实现对时空混沌和螺旋波的控制

采用相空间压缩方法研究时空混沌和螺旋波系统的抑制问题.以局部控制方式将系统变量的幅值限制在一定范围内,对CO在Pt(110)表面氧化模型(Fitzhugh-Nagumo方程)与心肌组织模型(Panfilov方程)的数值研究表明:无论是否存在外界噪声,该方案都可以消除螺旋波和时空混沌;尤其是存在噪声时,相空间压缩控制暂态过程会更短,系统很快达到稳定均匀态(从几个到几十个时间单位).