氮掺杂TiO2的冲击合成及可见光催化活性研究

 冲击相变及冲击诱导化学反应可导致材料的物理、化学性能发生显著改变。采用炸药爆轰驱动飞片高速碰撞产生冲击波的方法,对富氮掺杂物双氰胺（C₂N₄H₄）与P25 TiO₂或偏钛酸（H₂TiO₃）的粉末混合物进行冲击加载,对回收产物进行X射线粉末衍射、透射电子显微镜、X光电子能谱、比表面积及紫外-可见漫反射光谱表征,通过亚甲基蓝和罗丹明B评价了回收产物的可见光催化降解活性。结果表明：以P25 TiO₂为原料的冲击氮掺杂浓度可达8.88%,掺杂样品具有明显的可见光吸收,能带宽度减小到1.75 eV,样品中形成了少量Srilankite高压相;而以偏钛酸为原料的冲击氮掺杂浓度为3%～4%,能带宽度变化较小,但是由于其独特的冲击脱水膨胀机理,比表面积剧增。冲击氮掺杂样品对亚甲基蓝和罗丹明B染料有较好的吸附和可见光催化降解作用,其中高飞片速度处理的样品有更高的光催化降解活性。     

BaCO3和TiO2粉末混合物冲击压缩性和BaTiO3冲击合成的实验研究

 利用高能炸药爆轰驱动冲击波、狭缝扫描闪光隙高速照相技术和阻抗匹配解原理，在10~100 GPa压力范围内，测量了BaCO₃和TiO₂粉末混合物的冲击绝热数据。同时，利用轴对称柱面和平面爆轰装置，进行了该混合物样品的冲击后回收实验和回收样品的X射线衍射分析，考察BaTiO₃的冲击合成。测量出的冲击绝热数据，以冲击波压力和比容平面上的结果为例，在约30和45 GPa两个压力值时，比容发生明显跃变。冲击绝热数据与回收样品X射线衍射分析结果相结合，判断出，这两个跃变分别对应于TiO₂从锐钛矿相转变到高压β-TiO₂相，BaCO₃与TiO₂开始急剧化学反应合成出BaTiO₃并放出CO₂。此外，在压力为10 GPa左右作回收实验，其回收样品的X射线衍射分析表明TiO₂由锐钛矿相完全转变为金红石相。     

六硝基六氮杂异伍兹烷/2, 4, 6-三硝基甲苯共晶冲击起爆过程的分子动力学模拟

多尺度冲击技术可以准确的再现含能材料冲击起爆过程中冲击波阵面及反应区内的热力学和化学反应路径. 文本利用反应力场分子动力学(ReaxFF-MD)对六硝基六氮杂异伍兹烷/2, 4, 6-三硝基甲苯(CL20/TNT)1:1共晶沿<110>方向以6–10 km·s^-1的冲击速度进行冲击压缩模拟. 产物识别分析显示当冲击速度≥7 km·s^-1时, 冲击激发化学反应发生, 并且利用Rankine-Hugoniot守恒关系求得冲击起爆压力为24.56 GPa. 再者, 比较了冲击速度与粒子速度, 冲击速度与冲击诱发形变的关系, 当冲击速度为7–8 km·s^-1时, 冲击起爆发生, 系统经历弹- 塑性相变, 初级化学反应及次级化学反应, 并且相变与化学反应同时进行, 对于较高的冲击波速度(≥9 km·s^-1), 共晶系统内为过驱响应, 热力学参数均出现陡峭的梯度变化, 冲击波压缩材料直接阶跃至塑性变形阶段, 并且此阶段出现大量的碳原子.     

铜粉末动态压缩行为的多颗粒有限元分析

颗粒金属材料的宏观力学性能与其细观特性密切相关,金属粉末的冲击压缩问题有待深入研究。选用实验结果较为丰富的铜粉末作为研究对象,基于多颗粒有限元法建立了颗粒金属材料的二维数值分析模型,研究了铜粉末在冲击压缩下的力学行为。数值计算结果表明,在较高速度冲击下颗粒金属材料呈现出高度局部化的变形带,变形带如同冲击波一样从冲击端向支撑端传播。利用速度场计算方法,计算得到了塑性冲击波波阵面的位置,进而获得了不同孔隙率(0.25～0.60)铜粉末的粒子速度与冲击波波速之间的Hugoniot关系,其在较高冲击速度(200～300 m/s)下与实验结果吻合较好。发展了以动态锁定应变为唯一参数的冲击波模型,较好地表征了铜粉末在较高速度冲击下的Hugoniot关系和波后应力。     

冲击压缩状态下液态一氧化碳和氮混合物的发射光谱

利用二级轻气炮驱动铜飞片以2.21 km·s-1的速度撞击铝合金低温靶,产生速度为18.76 km·s-1的一维冲击波作用于等比例冷凝的一氧化碳和氮均匀混合液体样品.同时,借助增强光电耦合传感器及瞬态摄谱技术捕获到冲击压力为33.5 GPa下样品完全离解成等离子体时的线状光谱.分析这些数据可知,文章所述的六通道光谱系统能可靠地测量和记录介质的冲击压缩一发光过程;其中主要产物的发射谱线表明,一氧化碳和氮均质体已经发生了化学反应和相变.此外,与中心波长较高的谱线强度相比,488 nm通道的光谱强度明显较高的事实,也证明高密度碳氢液体在冲击压力作用下确实存在从"光学薄"到"光学厚"的转变.     

反向碰撞法测量Bi的低压Hugoniot数据

在火炮和二级轻气炮上利用反向碰撞技术,通过测量飞片击靶速度以及飞片/窗口的界面粒子速度,获得了金属铋(Bi)在10-45 GPa压力范围内的Hugoniot数据. 该方法克服了电探针法在测量低压Hugoniot数据时由于导通一致性差而不能准确得到冲击波速度的难题,同时又避免了精确测量样品中冲击波走时的问题. 实验获得的冲击波速度(D)-波后粒子速度(u)Hugoniot数据表明,Bi在粒子速度u=0.9 km/s附近D-u曲线发生了明显拐折,产生这一拐折的原因推测与冲击导致的Bi的固-液相变有关. 关键词： Hugoniot数据 反向碰撞 冲击相变 铋     

激光驱动带窗口宏观飞片特性实验研究

 利用激光驱动带窗口宏观高速飞片技术可以实现对材料的一维加载,特别适合开展材料的高压状态方程及高应变率下材料的动态力学特性研究。利用小型脉冲YAG激光器进行了驱动飞片技术研究。开展了飞片结构对飞片力学参数影响的实验,结果表明：复合靶飞片的能量耦合效率比单膜结构飞片具有较大的提高,平均速度提高约15%~30%。同时,飞片的平面性和完整性也有明显的改善。实验中测量了飞片的启动弛豫时间,结果显示：飞片的启动弛豫时间为5~10 ns。利用多通道光纤阵列开展了飞片的平面性测量。实验结果表明,在约1.0 mm的范围内,飞片的时间分散性为20~30 ns。利用高灵敏度激光干涉技术,对飞片速度历史进行了测量,结果表明,飞片在前20 ns就加速到最终速度的90%以上。     

冲击下材料质量混合的实验研究及离散元模拟

 利用化爆驱动飞片对铅-锡和铜-铝的颗粒混合物进行冲击加载。回收样品的金相分析发现,在锡颗粒边界有明显的铅锡质量混合带,带宽约60~80 μm。利用扫描电镜对混合带进行点扫描,得到带内铅和锡质量分布。计算出的铅锡动态扩散系数为D=0.9 cm²/s,远高于准静态。利用离散元方法进行了数值模拟,定性的显示了高速冲击下材料细观混合的过程和机理。     

冲击诱导甲烷化学反应的模拟计算

应用一维无粘流体反应动力学理论,选用13组元和40反应模型模拟了甲烷气体受高速飞片撞击的冲击反应流动,给出了飞片速度为9～12 km/s范围内共7个算例的数值结果.预测了在较高的飞片速度下,甲烷热分解反应的数值结果.Q     

33GPa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。     

Synthesis of CsCl-type single-phase RuSi under shock compression

Shock recovery experiments were performed on ruthenium–silicon powder mixtures by a flyer plate impact technique. The flyer velocities were in the range of 0.46–2.73 km/s, and the incident shock pressures were calculated to be ～2.9–～40.4 GPa by the impedance matching method. The recovered samples were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Results indicate that shock could induce a reaction between ruthenium and silicon. The shock pressure was found to affect reaction kinetics and microstructure of the recovered sample significantly. The dynamic reaction has a threshold pressure, and the samples loaded above threshold pressure almost completely reacted to a single-phase intermetallic compound of CsCl-type RuSi. These results indicate that shock compression could be an effective way to synthesize RuSi.     

非对称冲击-卸载实验中纵波声速的特征线分析方法

材料高压声速是获取材料在冲击下的剪切模量、强度和相变信息的重要物理量, 对于研究材料在高速冲击下的行为非常重要. 由于飞片、样品和窗口材料阻抗失配等因素, 传统的声速分析方法无法对非对称冲击-卸载实验中单样品的窗口界面速度进行准确的分析. 本文在反向特征线方法的基础上, 考虑了飞片与样品、样品和窗口界面的相互作用, 建立了适合于仅含单一厚度样品的非对称冲击-卸载实验的特征线声速分析方法, 通过对数值实验给出的速度剖面的分析表明, 该方法能够较为准确地获得待测材料高压下的声速及卸载路径.     

Laser-driven flyer application in thin film dissimilar materials welding and spalling

This paper applied a low cost method to pack and drive laser-driven flyer in the applications of welding and spalling. The laser system has the maximum energy of 3.1 J, which is much lower than that used in the previous study. The chemical release energy from the ablative layer was estimated as 3.7 J. The flying characteristic of laser-driven flyer was studied by measuring the flyer velocity at different locations with photonic Doppler velocimetry (PDV). The application of laser-driven flyer in welding Al and Cu was investigated at different laser spot size. Weld strength was measured with the peel test. Weld interface was characterized with optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The study of application of laser-driven flyer in spalling was carried out for both brittle and ductile materials. The impact pressure was calculated based on the Hugoniot data. The amount of spalling was not only related to the impact pressure but also related to the duration of impact pressure. The fractography of spalled fracture surface was studied and revealed that the fracture mode was related to the strain rate. The spall strength of Cu 110, Al 1100 and Ni 201was measured and was consistent with the literature data.     

用于描述W-Cu粉末混合物冲击压缩行为的p-α与p-λ模型适用性

研究了3种p-α模型和p-λ模型在预测非均质W-Cu混合粉末冲击压实响应的适用性。利用Mie-Grüneisen方法和Barry等压混合法,基于单质W、Cu粉末的Hugoniot关系预测了同孔隙度的W-Cu混合粉末的Hugoniot线,在高压段与实验结果符合较好,但在低压段与实验偏差较大。分别应用3种p-α模型和p-λ模型对实验结果进行拟合,发现除p-α PL模型外,其他模型均较好地描述W-Cu混合粉末的冲击压缩响应,受经验参数选择的影响,所有模型的压溃强度和压缩路径各不相同,预测功能较差。     

Feasibility investigations on a novel micro-embossing using laser-driven flyer

A novel micro-plastic microfabrication technique for embossing is presented, which uses laser-driven flyer as the loading method in forming. Experiments were performed by allowing the laser-driven flyer to impact the thin film, which is placed above a micromold. Micro-channel with dimension of 160 μm×45 μm was successfully fabricated on copper foil surface using laser-driven flyer. The effects of laser energy on deformation mechanism were investigated experimentally. Surface roughness changes on formed sample were discussed. The novel technique holds promise for achieving precise, well-controlled, low-cost, high efficiency of three-dimensional metallic microstructures. In addition, this technique can cold form high strength or difficult materials.     

Generation of laser-driven flyer dominated by shock-induced shear bands: A molecular dynamics simulation study

High-power pulsed lasers provide an ingenious method for launching metal foils to generate high-speed flyers for high-pressure loading in material science or aerospace engineering.At high-temperature and high-pressure laser-induced conditions,the dynamic response of the metals and the mechanism of flyer formation remain unclear.In this study,the overall process of the laser-driven aluminum flyer,including laser ablation,rupture of metal foil,and the generation of the flyer was investigated by molecular dynamics combined with the two-temperature model.It was found that under high laser fluence(over 1.3 J/cm;with 200-fs laser pulse duration),the laser induced a shock wave with a peak pressure higher than25 GPa,which led to shear bands expanding from the edge of the laser ablation zone in the foil.Compared with the cases of low laser fluence less than 0.5 J/cm^-1,the shear band induced by high laser fluence promotes the rupture of the foil and results in a high-speed flyer(>1 km/s)with better flatness and integrity.In addition,the shock wavefront was found to be accompanied by aluminum crystal phase transformation from face-centered cubic(FCC)to body-centered cubic structure.The crystal structure reverts with the decrease of pressure,therefore the internal structure of the generated flyer is pure of FCC.The results of this study provide a better understanding of the laser-induced shock effect on the foil rupture and flyer quality and forward the development of the laser-driven flyer.     

弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型

 基于Kim的弹粘塑性单球壳塌缩模型,考虑PBX炸药中的粘结剂效应,假设炸药和粘结剂均为弹粘塑性材料,建立了弹粘塑性双球壳塌缩热点反应模型,给出了炸药球壳在冲击压力作用下的速度、应变、温度和化学反应速率的时空分布,以及新的热点反应速率理论表达式。把新的热点反应项与Kim的低压下慢反应项和张震宇提出的高压反应速率方程相结合,得到了新的冲击起爆三项式细观反应速率模型。把该模型加入DYNA2D中,模拟了PBX-9501炸药的一维冲击起爆过程,结果表明：该模型除了可以解释炸药颗粒度和孔隙度的影响外,还可以较好地描述粘结剂强度和含量对PBX炸药冲击起爆感度的影响。     

钝感炸药冲击起爆反应过程的 PDV 技术

为研究A型钝感炸药冲击起爆反应演化过程,进行了火炮驱动蓝宝石飞片的一维平面冲击实验。实验中采用光子多普勒测速仪(Photonic Doppler velocimetry,PDV)技术测量冲击起爆后台阶型炸药的粒子速度。在炸药不同厚度台阶的后界面固定镀铝膜的楔形氟化锂(LiF)窗口,利用阻抗匹配将PDV测量的LiF窗口波后粒子速度转化为炸药样品波后粒子速度。比较组合式电磁粒子速度计和PDV两种测速技术,结果表明,相较于组合式电磁粒子速度计,PDV测量的粒子精度更高。简要分析了PDV测速探头角度、探头孔径、窗口折射率等影响,得到PDV测速的相对不确定度小于1%。