熔化状态下锡样品微喷射现象的诊断

强冲击熔化状态下,金属样品表面微喷射大幅增加,难以诊断。针对该问题,利用Asay-F窗技术,通过实验诊断,得到了熔化状态下不同表面加工状态锡样品表面微喷射物质的质量、密度、速度和空间分布等信息,分析了表面加工状态对表面喷射物质量及特征的影响。结果发现,对于熔化状态的金属样品,表面粗糙度仍是决定微喷射物质量大小、速度及空间分布的重要因素,且相关特征均呈现随表面粗糙度增大而增大的趋势。研究结果为认识熔化状态下材料的微喷特性及构建物理模型提供了重要数据。     

熔化前后Pb样品表面微喷射现象研究

利用设计的大量程Asay-F窗技术,从实验上准确诊断了不同加载状态下金属Pb样品表面微喷物质量和密度-速度分布信息,重点阐释了熔化前后金属样品表面微喷特性的异同,并从理论分析的角度解释了该现象产生的物理原因,为研究熔化对金属样品表面微喷射的影响机制奠定了重要基础.     

表面粗糙度对金属冲击熔化破碎的影响

对两种表面粗糙度的金属锡样品开展了一维平面冲击微层裂实验,采用自行研发的多点动量测试装置获取熔化金属破碎区粒子动量的时空分布信息。测试结果表明,对于百纳米级粗糙度精磨样品,在加载稀疏波的作用下,熔化金属出现典型的分层断裂现象。应用光滑粒子流体动力学方法与Autodyn程序,开展了金属锡微层裂过程的细观尺度模拟,研究自由面稀疏波沿样品厚度方向传播时界面不稳定性增长的特征。研究发现,微米尺度的表面粗糙度足以使扰动伴随反射稀疏波的传播而充分增长,卸载区熔化金属充分破碎,破碎粒子同时具有冲击方向和径向的分散性,与实验测试结果相符合。     

冲击诱导金属铝表面微射流现象的微观模拟

采用嵌入原子势分子动力学模拟方法, 研究了金属铝表面沟槽在冲击下形成微射流的微观过程和动力学性质. 通过对模拟结果的统计分析, 获得了较宽冲击压力范围内微射流形态的变化规律, 以及相应的质量-空间分布和质量-速度分布变化. 基于原子中心对称参数, 分析了样品近表面非晶态转变和卸载熔化过程, 获得了卸载熔化对微射流质量及其分布的影响规律. 研究还发现: 样品熔化之前, 微射流质量与波后粒子速度呈线性增加关系; 卸载熔化出现后, 微射流质量开始迅速增加; 当卸载熔化速度足够快时, 金属强度效应可忽略, 此时微射流质量与波后粒子速度再次表现出线性增加关系.     

爆轰加载下金属样品的熔化破碎现象诊断

本文在传统Asay窗技术基础上设计发展了一种用于诊断熔化状态下 金属样品表面附近一定厚度区域内熔化破碎现象的Asay-F窗技术, 较准确给出了该区域熔化破碎物质的质量和密度分布信息, 并与表面微喷和固体层裂片的特征进行了比对分析, 为熔化破碎现象的形成机理认识和物理建模提供了重要实验数据. 而且研究表明Asay-F窗技术可在一定程度上弥补目前熔化破碎现象 主要依靠高成本质子照相技术诊断的不足. 关键词： 爆轰加载 熔化破碎 Asay-F窗     

金属表面几何缺陷微细结构对微喷射特性的影响

基于光滑粒子流体动力学方法, 分别采用实测样品几何缺陷模型和简化V形沟槽模型对铅的微喷射过程进行了模拟. 重点分析了金属表面几何缺陷微细结构对微喷射特性的影响, 并将数值计算结果与相应的实验测量值进行对比. 结果表明, 基于实测样品几何缺陷模型计算的最快喷射速度和累积喷射量与实验测量结果符合得很好. 进一步研究发现, 在实测样品几何缺陷诱导的微喷射过程中存在“二次汇聚喷射”现象, 与单次喷射相比, 该过程会诱导产生更高的喷射速度并显著影响微喷物的空间密度分布. 这说明除了受扰动波长、深度影响外,表面几何缺陷微细结构也是影响金属微喷射过程的重要因素.     

熔化状态下金属样品表面的微喷射问题

熔化状态下金属样品表面微喷物质的时空演化规律是目前国内外研究关注的热点问题,不过,由于压电石英计等传统诊断技术能力的限制,导致目前对该问题的认识仍存在明显不足.本文采用作者前期发展的大量程Asay-F窗技术,结合传统压电石英计,通过将其布置在距受载Sn样品自由面不同高度位置处的方法,系统研究了熔化Sn样品表面微喷物质的运动演化规律,给出了特定时刻微喷物质的密度-空间分布图像.本文研究结果从实验上确认了微喷物质时空演化过程中的"自相似膨胀"规律,成功避免了传统压电石英计由于测量量程偏低导致其获取物理认识不够全面的问题,为认识动载下金属材料的微喷运动演化规律提供了重要实验支撑.     

3D打印技术应用于加工微靶零件

采用三种商业3D打印机尝试加工了金属材质和树脂材质的微型靶零件。通过EOSINT M290 3D打印机以激光烧结的方式加工了钛金属靶架;通过Object 30 Pro 3D打印机以聚丙烯树脂为材料,通过喷射打印的方式加工了构型复杂的树脂靶架;通过Freeform Pico 3D打印机以蜡质树脂为材料,通过光固化成型的加工方式,获得了微腔、圆柱和平面元件,并在其表面设计了周期性图形结构。采用光学工具显微镜和共聚焦显微镜对样品的尺寸和表面形貌进行了表征。结果表明:金属靶架的线粗糙度为7.3~17.79m,抛光之后降低为0.87~1.66m;树脂靶架的面均方根粗糙度为2.88m;微腔和圆柱元件端面的面均方根粗糙度为2.03m,表面的条纹周期与设计值偏差为1.40%,平均振幅值偏差为55.50%;平面元件的面均方根粗糙度为4.87m,表面调制图形的周期与设计值偏差为0.80%,平均振幅偏差为3.60%。通过商业3D打印机加工靶零件,为惯性约束聚变实验中微靶零件的加工提供了新思路。     

动载荷下金属板表面的微物质喷射

 用石英晶体传感器技术，测量了冲击波作用下铝合金（Ly-12）和纯铅样品自由表面的微物质喷射量。在冲击压力为32 GPa时，测得光洁度为3.2、0.4、0.1 μm的铝合金的微物质喷射量分别为1.53～3.28 g/m²，0.2～0.3 g/m²和0.053～0.096 g/m²，对光洁度为3.2 μm的纯铅样品，在压力为13 GPa和47 GPa时，微物质喷射量分别微26.4～42.4 g/m²和183～328 g/m²。在最高冲击压力约为20 GPa时，做了多次冲击下的微物质喷射量测量，发现比单次冲击加载下的喷射量有很大的减少。结果表明，微物质喷射量与自由表面的加工条件、局部熔化和加载方式等因素有关。     

相移干涉法测量ICF微球内表面粗糙度

 通过分析光线通过微球壳层后各界面的相位分布,讨论了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的基本原理,研究了微球上部壳层对内表面粗糙度测量的影响,得到了聚苯乙烯,聚a甲基苯乙烯微球的内表面形貌特征图像,测量数据与原子力显微镜测量数据在同一量级。以微球壳层对超光滑碳化硅及单晶硅片表面形貌的调制作用为研究对象,讨论了微球的外表面粗糙度以及微球壁厚对内表面粗糙度测量结果的影响,确定了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的不确定度,实验结果表明：对于表面粗糙度小于30 nm、厚度小于9 mm的微球,测量不确定度小于0.4 nm。     

电子辐照聚合物带电特性多参数共同作用的数值模拟

电子辐照聚合物样品的带电特性是扫描电子显微镜成像、电子束探针微分析以及空间器件辐照效应等领域的一个重要研究课题. 通过建立基于蒙特卡罗方法的电子散射和时域有限差分法的电子输运的数值模型, 并采用高效的多线程并行计算, 模拟了电子非透射辐照聚合物样品的带电特性, 得到了带电稳态下的样品底部泄漏电流密度、表面负电位以及样品总电荷密度等带电特征量受入射电子能量、入射电流密度、样品材料的电子迁移率、样品厚度等相关参数共同作用的影响. 结果表明, 一个参数的变化使表面负电位增强时, 其他参数对负电位的影响将增强. 样品的带电稳态特征量在同一个电流平衡的模式下受参数影响的变化是单调的. 当电流平衡模式发生变化时, 如在入射电子能量较低的条件下, 样品内部的总电荷量会随着样品厚度的增大而先增加后减小, 出现局部极大值. 样品底部的泄漏电流密度随着入射电流密度的增大而近线性成比例地增大. 研究结果对于揭示电子辐照聚合物的带电规律及微观机理、预测不同条件下的样品带电状态具有重要科学意义.     

KDP晶体单点金刚石车削表面形貌分形分析

 分别使用2维和3维分形方法对单点金刚石车削加工的KDP晶体表面形貌进行了分析,并对表面的3维分形维数和3维粗糙度表征参数进行了比较,分析了二者对表面形貌表征的差异。使用2维轮廓分形方法计算了KDP晶体表面圆周各方向上的分形维数。通过分析得出：3维分形维数与表面粗糙度值成反比关系;使用单点金刚石车削方法加工KDP晶体会形成各向异性特征明显的已加工表面,在一定程度上容易形成小尺度波纹;已加工表面是否具有明显的小尺度波纹特征与表面粗糙度值并无直接关系,但与其表面轮廓分形状态分布密切相关;KDP晶体表面2维功率谱密度与其分形状态具有相近的方向性特征。     

真实加工表面后向散射特性分析及表面参数反演

无合作目标激光绝对测距中,远距离、真实表面的后向散射特性机理不明朗,严重影响测距结果,是制约测距技术发展的重要瓶颈。以立铣、平铣、平磨等三种典型实际机械加工方式下的粗糙表面为研究对象,测量了在1 550 nm红外激光照射下形成的后向散射场,探究了不同加工方式下特殊后向散射场形成的原因,深入分析了表面纹理、入射方位角、入射角度、粗糙度对后向散射场分布的影响。实验结果分析表明,加工制造表面的后向散射光谱形态分布受加工方式的影响很大,且相互入射几何关系和粗糙度对每种加工方式下的实际粗糙表面均有规律性影响。为了能够获取足够的后向散射能量,对表面参数的识别反演显得十分重要。进一步构建了一种加工表面多维参数反演模型,采用另外一种加工方式(刨床)的样块数据进行验证,加工方式能够被准确区分,入射方位角和粗糙度反演的相对误差分别达到1.21%和1.03%,反演精度较高。经实验验证,通过表面参数的反演极大拓宽了无合作目标激光绝对测距的范围,有效降低了表面纹理、入射方位角、粗糙度等对测距范围的影响。这一研究结果还对具有纹理特征加工表面的后向散射光谱的研究和在其他领域的应用均具有一定的参考价值。     

随机粗糙微通道内流动特性研究

采用计算流体动力学的方法, 研究了微通道内气体在速度滑移和随机表面粗糙度耦合作用下的流动特性. 其中, 利用二阶速度滑移边界条件描述气体的边界滑移, 利用分形几何学建立随机粗糙表面. 研究发现, 综合考虑二阶速度滑移边界条件和随机表面粗糙度在较大的平均Knudsen数范围内 (0.025-0.59) 得到的计算结果与实验数据符合得很好, 而一阶速度滑移边界条件只在平均Knudsen数较小时(<0.1)符合实验结果. 随机表面粗糙度对气体在边界处的滑移有显著影响, 相对粗糙度越大, 速度滑移系数越小. 并针对计算结果, 给出了滑移系数与相对粗糙度近似满足的关系. 随机粗糙表面对气体流动过程中的压强、速度、Poiseuille数也有显著影响. 关键词： 随机表面粗糙度 二阶速度滑移边界条件 分形 微通道     

压电波形对喷墨打印电极的调控规律

压电喷墨打印是制备印刷电子器件的主要手段之一,其墨滴喷射状态直接受压电波形的影响,因而压电波形对于器件打印具有重要意义。本文主要研究了压电波形对薄膜晶体管(TFT)电极打印效果的影响,实验通过改变压电波形的加压速率和脉冲持续时间,打印得到了一系列的电极样品,并对其图形效果及表面粗糙度进行了测量。实验表明,随着加压速率和脉冲持续时间的增大,墨滴喷出动能增大,最终打印的图形效果先改善后恶化,表面粗糙度则随之增大。在加压速率取值为0.08~1.65 V/μs、脉冲持续时间取值为1.216~2.688μs的区间内得到了失真程度较小的电极图形,在加压速率及脉冲持续时间分别为0.25 V/μs、2.688μs及0.65 V/μs、1.600μs时,电极图形化效果较好,表面粗糙度分别为59.04 nm和59.27 nm。通过对压电波形参数的合理设置,能够实现对打印图形效果的优化。     

实际加工表面红外激光散射特性的实验研究

为了研究激光在实际加工表面的散射特性,利用分辨率为10 nW的激光功率计PM100D,波长为1550 nm的激光器和精密转台,自行设计并搭建了半球空间中目标表面散射特性的测量系统. 以典型的刨床加工的若干标准粗糙度比较样块为被测目标,在1550 nm红外激光以不同方位照射下,测量了微观具有V形槽结构的不同粗糙度的样块表面的散射功率分布. 实验结果转换成双向反射分布函数后,对比分析了入射光方位、入射角和表面粗糙度对此类典型表面散射特性的影响,并分析了特殊散射场形成的原因. 结果表明,表面纹理、入射角以及粗糙度均对目标表面的散射特性有规律性影响,这一结果对于具有规律性加工纹理表面的散射特性的研究和建模有一定的参考价值,对激光技术在实际加工表面的应用研究提供了一定的基础. 关键词： 散射特性 双向反射分布函数 红外激光 实际加工表面     

基于激光散斑成像的零件表面粗糙度建模

表面粗糙度是衡量机械表面加工水平的重要参数. 通过构建一套激光散斑成像采集系统, 获取了不同表面加工类型和不同粗糙度值的零件表面激光散斑图像. 应用Tamura纹理特征理论提取图像的纹理粗糙度、对比度、方向度特征, 并分析了这三个特征与表面粗糙度的关系. 发现了纹理粗糙度特征与表面粗糙度的单调关系, 推导出平磨、外磨、研磨三种表面加工工艺的粗糙度值与图像纹理粗糙度特征的数学函数关系, 实现了表面粗糙度的测量. 同时, 利用Tamura纹理特征与加工工艺的依赖关系, 建立了基于贝叶斯网络的工艺识别推理模型, 推理出了零件表面加工工艺. 通过为多种加工类型表面建立粗糙度测量模型, 为粗糙度测量提供了新思路. 实验证明所提的粗糙度测量模型能以较高的准确率识别出零件表面加工类型并测量出其表面粗糙度值.     

爆轰波对碰加载下平面Sn材料动力学行为实验研究北大核心CSCD

基于简易平面对碰加载实验装置,采用DPS测速和传统X光联合诊断技术,实验研究了Sn样品对碰区的动力学行为,给出了包含对碰区主体破碎物质的密度-空间分布数据和样品前表面微喷物质速度、分布宽度的关键信息的总体物理图像。该研究结果为后续爆轰波对碰加载下材料动力学行为实验中诊断技术的选择和解读,以及相关物理规律的认识提供了重要的实验依据。     

金属钨熔化过程的分子动力学模拟

本文使用分子动力学方法对金属钨的熔化过程进行了数值模拟,分析了钨在熔化过程中的结构、系统内能变化以及表面熔化过程固-液界面变化情况,初步分析了表面熔化现象的机理。模拟过程采用嵌入原子模型(EAM)描述原子间相互作用,模拟结果表明,嵌入原子模型适合于计算固-液相变过程,表面熔化过程是由表面处最外层原子的不稳定性触发的。对于均匀熔化过程,晶体在4700 K下发生固-液相变;对于表面熔化过程,计算获得了不同温度(3800～4800 K)下的熔化速度,拟合出熔化速度公式,得到的表面熔化热力学熔点与已有实验结果基本符合。     

强激光加载下金属材料微喷诊断实验研究进展

强激光加载下金属材料产生的微喷射现象及其内在的机理分析是冲击压缩科学与工程领域研究的前沿问题,相关研究对于认识材料在极端载荷条件下的动力学行为具有重要意义。近年来国内外科学家们基于各大激光装置开展了大量微喷射诊断实验研究,在喷射物性质、金属界面不稳定性增长以及微喷混合问题等方面取得了一系列重要进展。通过回顾微喷静态和动态诊断实验的研究历程,对微喷诊断实验研究方法的重要应用作了详细介绍,同时对微喷产生的主要作用机制、影响因素以及微喷混合等问题进行回顾、梳理和总结。根据当前国内外微喷诊断实验发展趋势,归纳总结目前微喷诊断实验研究结果中仍存在的不足,并对微喷射实验研究未来发展方向进行展望。