基于特征线反演的斜波加载实验数据处理与分析

基于特征线反演法,开展了斜波加载实验的数据处理,对特征线反演法进行了数值验证和不确定度分析;并对磁驱动CQ-4装置上开展的准等熵压缩金属铝台阶靶实验的速度剖面进行了数据反演,通过原位粒子速度和材料声速,积分得到了包含弹-塑性转变过程的应力-应变曲线;此外,对不同反演方法得到的材料弹性屈服极限等进行了比较和分析,进一步论证了不依赖于本构模型的特征线反演分析在斜波加载实验数据处理中的重要性。     

磁驱动斜波压缩实验结果的不确定度分析

磁驱动斜波压缩作为一种新颖的加载技术受到冲击动力学界的关注。对磁驱动斜波压缩实验过程进行了分析,给出了Lagrange正向数据处理的误差传递公式,并对反向积分数据处理的实验不确定度进行了评估。正向分析和反向积分计算得到的实验不确定度一致。磁驱动斜波加载实验获得的材料声速的相对不确定度小于1.5%,应力的相对不确定度小于2.5%,表明磁驱动平面斜波压缩实验技术是一种可靠的精密物理实验技术。     

激光驱动气库靶对铝的准等熵压缩实验研究

利用激光驱动气库材料形成的等离子体射流对材料进行斜波加载, 可以获得高应变率的准等熵压缩. 在神光III 原型高功率激光装置上开展了激光驱动铝材料的准等熵压缩实验, 成像型速度干涉仪VISAR记录到样品自由面连续、光滑的速度历史, 采用反积分法得到60 GPa以上的峰值压强, 加载上升沿约10 ns,应变率可达10⁸ s ^-1, 并且观察到了压缩波在样品后表面的反射效应.     

应用于多层靶准等熵压缩实验的反积分方法

针对磁驱动和激光驱动准等熵压缩实验物理中多层结构靶设计和实验数据处理的需求,在反积分处理方法的基础上,提出了多层靶的层间传递方法,实现了多层靶内加载历史的反演计算。通过正、反积分数值实验以及激光驱动实验的正、反计算,验证了多层靶中反积分数据处理方法的有效性,在绝大部分计算范围内,多层靶的反积分处理精度可以达到1%以内。利用反积分方法开展了多层靶物理实验的波形设计,并分析了不同厚度胶层的多层靶对斜波加载实验的影响。     

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。     

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。     

一种同步研究透明材料折射率和动力学特性的实验方法

基于电磁加载装置CQ-4,建立了一种同步开展透明材料折射率和高压声速测量的实验方法.完成了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)窗口材料14 GPa斜波压缩实验,利用多点双光源外差位移干涉测速仪(dual laser heterodyne velocimetry, DLHV),获得了PMMA样品后表面的速度历史曲线.速度曲线表现出明显的双波结构,表明PMMA样品出现了弹塑性转变.通过实验数据处理,一发实验同步获取了PMMA的折射率-粒子速度光学特性和拉氏声速-粒子速度动力学特性.     

准等熵压缩下金属钽的屈服强度分析

 为分析固体材料的准等熵压缩实验数据,引入了率相关本构方程和流体弹塑性模型,建立了考虑材料强度效应的反积分数据处理方法。利用CQ-1.5磁压驱动装置中多晶钽的准等熵压缩实验数据,对钽的屈服强度和流应力进行了反积分数值模拟和分析,计算了钽的拉格朗日声速和应变率分布情况。得到了钽在准等熵压缩过程中样品内部及加载面上压力和速度的分布及演变规律,获得了30 GPa压力下钽的准等熵屈服强度约为1.85 GPa,准等熵弹性屈服极限约为2.9 GPa。此外,计算得到了与Sandia实验室数据高度吻合的应力-应变曲线和准等熵p-V参考线。     

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.     

聚龙一号装置上铜的准等熵压缩线测量实验研究

以聚龙一号装置为驱动源, 分别结合理论计算和电路模拟, 开展了磁驱动平面加载实验设计和样品加载路径控制, 实现了高电导率无氧铜（OFHC）材料的准等熵压缩。实验中采用现有的波剖面测量实验技术成功测量了两个不同厚度OFHC样品/LiF窗口材料的界面速度历史, 再结合Lagrange分析和反积分计算, 成功获取了铜直到100 GPa的准等熵压缩参考线, 与国外公布的SESAME数据线符合较好。     

聚龙一号装置上铜的准等熵压缩线测量实验研究

以聚龙一号装置为驱动源, 分别结合理论计算和电路模拟, 开展了磁驱动平面加载实验设计和样品加载路径控制, 实现了高电导率无氧铜（OFHC）材料的准等熵压缩。实验中采用现有的波剖面测量实验技术成功测量了两个不同厚度OFHC样品/LiF窗口材料的界面速度历史, 再结合Lagrange分析和反积分计算, 成功获取了铜直到100 GPa的准等熵压缩参考线, 与国外公布的SESAME数据线符合较好。     

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。     

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。     

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根据反向积分原理编写了流场反演程序,并开展了程序验证计算。在反演区域内,由临界面速度反演出与辐射流体力学程序MULTI计算结果几乎一致的结果;由Saturn加速器上实验测试的单个样品后自由面速度反演出了加载压强历史、多种厚度样品后自由面粒子速度历史等信息,与文献对比发现,反演结果与由加速器工作电流推出结果、WONDY程序计算结果、实验测试结果相吻合。本工作为即将开展的激光驱动准等熵压缩实验奠定了技术基础。     

冲击加载-准等熵加载过程的密度梯度飞片计算设计

 采用一维弹塑性流体动力学计算方法,通过对LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory）Mg-Cu体系密度梯度飞片冲击加载-准等熵加载实验过程数值计算和比较,验证了流体动力学计算方法、不同材料体系混合模型以及计算程序的正确性和实用性。考虑到在飞片材料制备中,单层厚度最小值为0.2 mm和Mg-W最大阻抗混合质量分数的致密条件限制,开展了对新的Mg-W体系密度梯度飞片实现冲击加载-准等熵加载过程计算设计,给出了满足加载要求的飞片结构特征;从计算给出的粒子速度波剖面可见,密度梯度飞片波阻抗分布对加载过程和加载强度非常敏感,通过精心设计准连续型变阻抗的梯度飞片,可以进行不同复杂加/卸载过程的物理模型设计和实验研究。     

准等熵压缩流场反演技术研究

 与一般流体力学计算中将流体力学方程组进行空间离散、再进行时间推进计算不同,采用Hayes提出的流场反演方法,将流体力学方程组进行时间离散,然后将VISAR测量得到的样品后自由面速度历史作为输入数据,再进行空间的反演计算。与一般流体力学计算进行了比较,并与柏劲松设计的Pillow飞片撞击铜样品实验的计算结果作了比较,该方法反演出的样品加载面处的压力历史与其计算结果基本一致,通过参数优化方法多次进行反积分计算调试出的等熵压缩线具有较高的可信度。     

整形激光加载的一维准等熵压缩仿真

基于凝聚态物质等熵线推导了理想等熵假设前提下的加载压力和加载激光波形,进而将其作为输入条件,利用辐射流体力学程序MULTI开展了Al材料的一维准等熵压缩仿真,通过材料温度、压强、密度、粒子速度和熵增五个参量描述了准等熵加载的物理过程。结果显示得到了高等熵程度加载过程,可为即将开展的整形激光加载的准等熵实验提供参考。     

40GPa压力范围内铜和铝的准等熵压缩线

 基于自行研制的磁驱动准等熵压缩加载实验装置CQ-1.5,利用全光纤位移干涉仪（Doppler Pins System, DPS）、激光速度干涉计（Velocity Interferometer System for Any Reflectors, VISAR）两种测试手段,以及反积分数据处理方法,实验测量了40 GPa压力范围内T1铜、LY12硬铝和L1纯铝3种材料的准等熵压缩线,将实验准等熵压缩线与基于Grüneisen状态方程的理论等熵压缩线和冲击Hugoniot线进行了比较。结果表明,在该压力范围内,实验准等熵压缩线与理论等熵压缩线相一致,两者偏差小于3%;实验准等熵压缩线靠近冲击Hugoniot线,位于其下方,与国外文献发表的结果相同,进一步表明,实验测量结果正确可靠。     

磁驱动斜波加载下铋的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ相变实验

设计了一套与磁驱动斜波加载实验装置CQ-4配套的样品预设温度系统,温度范围为室温至180℃。利用此装置联合双源光外差测速系统,完成了不同初始温度下铋的斜波压缩相变实验,并在单发实验中获得了同时含有Ⅰ-Ⅱ和Ⅱ-Ⅲ两次相变信息的速度剖面。实验结果显示,随着铋的初始温度从室温提高到148℃,Ⅰ-Ⅱ相变和Ⅱ-Ⅲ相变起始对应的特征拐点速度分别从251.6和275.7m/s下降到239.4和259.7m/s。     

基底上覆分层薄膜超声Scholte波特性与薄膜定征

分层薄膜--基底结构广泛应用于微电子器件等诸多领域,但薄膜材料参数超声测量尤其是横波速度的定征是一个困难的问题。本文对液固界面Scholte界面波的频散特性和脉冲激励的声压响应进行了理论分析。结果表明,液固界面Scholte波频散与分层膜--基底结构的速度分布密切相关。薄膜材料各层的厚度和横波速度对界面波频散特性有显著影响。基于Scholte界面波的频散特性,提出了一种多层膜的多参数反演定征方法。首先针对理论信号进行薄膜参数反演,验证了该方法的可行性。后续对不同类型的多层膜材料样品进行了液固界面波激发与采集实验,实验信号的薄膜参数反演结果进一步验证了该方法的可行性和有效性。