磁驱动平面准等熵加载装置、实验技术及应用研究新进展

利用脉冲大电流装置产生随时间变化平滑上升的磁压力,实现对平面、柱面等不同结构样品的磁驱动准等熵（斜波）压缩,为极端条件下材料动力学研究提供了一种偏离Hugoniot状态热力学路径的加载手段。本文从磁驱动准等熵加载装置、实验技术、数据处理方法等方面综述了磁驱动准等熵加载技术研究近十年的新进展,评述了利用磁驱动准等熵加载技术和方法开展极端条件下材料高压状态方程、高压强度与本构关系、相变与相变动力学等方面研究的进展情况,展望了磁驱动准等熵加载技术发展及其在材料动力学、武器物理和高能量密度物理等方面的应用前景。     

磁驱动准等熵压缩下LY12铝的强度测量

高压高应变率加载下材料的强度研究一直是冲击动力学的一个难题,目前动态载荷下材料的高压强度测量主要是基于平板撞击技术,冲击温升和应变率效应对材料强度的影响难以分离. 基于小型磁驱动加载装置CQ-4,开展了磁驱动准等熵压缩下LY12 铝的声速和强度测量的实验研究,讨论了考虑加载-卸载过程时磁驱动压缩实验的负载电极设计、实验样品设计、数据处理与分析等内容,并获得了12 GPa 压力范围沿加载-卸载路径的声速变化和峰值压力点的强度数据.      

RDX(210)单晶准等熵压缩实验的数值分析

基于准等熵压缩实验,建立了考虑线弹塑性效应的反积分数学模型,并针对Sandia的含能材料RDX(210)的无反应准等熵压缩实验数据,进行了数值模拟和分析.结果表明,本文模型可以恰当地描述该含能材料的准等熵压缩实验过程,可以得到与文献结果吻合较好的样品加载速度历史;计算得到了样品内部任意位置直至加载面上的信息、应力应变和...     

内爆磁压缩准等熵加载过程分析与实验验证

利用磁流体力学程序SSS-MHD模拟了炸药柱面内爆磁通量压缩发生器CJ-100装置的加载过程,讨论了各项装置参数的影响,结果表明装置可达到的峰值磁场值与初始磁场值成反比关系。设计了铁/铜夹层结构的样品靶,在该型装置上开展纯铁的准等熵加载实验。利用光子多普勒测速探头测量到6.43 km/s的样品靶自由面速度,在DT4铁中获得206 GPa的准等熵加载压力。铁材料的压力-比容曲线与理论等熵线基本重合,表明内爆磁压缩加载过程具有较高的等熵程度。     

多级柱面炸药内爆磁通量压缩技术研究

柱面内爆磁通量压缩发生器是利用炸药内爆压缩其内部磁通量至轴线附近小体积内从而实现超高磁场,传统的单级装置因受到金属套筒内爆失稳等影响性能指标受限。开展了多级内爆磁压缩技术研究,突破多项关键技术,包括研制特殊结构的密绕螺线管、脉冲功率源及大电流放电开关等,具备在直径135 mm套筒空间内实现20 T以上初始磁场产生能力,并建立了动态磁光测量系统。利用磁流体力学编码SSS-MHD开展多级装置设计,计算显示,设计的多级装置能够将约42%的初始磁通量压缩至轴线附近直径7 mm的空间内。最终研制成功多级内爆磁压缩装置CJ-150,在亚立方厘米以上空间实现轴向峰值磁场强度906 T,数据不确定度5.35%。10余发动态考核实验显示,CJ-150装置工作稳定,能够满足物理实验需要。利用经实验验证的磁流体模型计算显示,CJ-150具备1 000 T以上超强磁场产生能力,能够对大尺寸样品实现500 GPa以上的准等熵加载。     

平面和圆柱面构形的磁流体力学计算

在一维弹塑性反应流体力学Lagrange编码SSS的基础上,研制了多介质、多空腔、与集中参数外电路耦合的实验构形弹塑性反应磁流体力学一维计算编码SSS-MHD。在编码中,通过对构形边界与外电路的耦合以及不同构形磁场边界条件的统一处理等措施,解决了其中的关键问题。本文中编码的优势体现在两个方面:能够统一处理不同的磁流体力学实验构形,包括平面及圆柱面几何构形;可以同时进行磁流体力学和含能材料反应流动的计算。对平面准等熵压缩炸药和炸药爆轰驱动套筒压缩磁通量等两类典型实验进行了数值计算,结果与实验结果一致。     

离散系统通用动力学方程求解算法的研究进展

离散系统中的颗粒物在凝并、破碎、冷凝/蒸发、成核、沉积等事件作用下颗粒尺度分布的时间演变由通用动力学方程所描述.该方程为一典型的部分积分微分方程,普通数值方法难以求解.本文详细介绍了求解通用动力学方程的矩方法、分区法、离散法、离散-分区法、MonteCarlo方法等几种算法的原理、优缺点和最新的研究进展,并着重介绍了MonteCarlo算法,包括基于时间驱动Monte Carlo方法、基于事件驱动MonteCarlo方法、常数目法、常体积法以及多重Monte Carlo算法.      

磁驱动等熵压缩和高速飞片的实验技术（续2）

4磁压加载等熵压缩实验的数据处理方法 4．1磁驱动实验测量技术 磁驱动实验与通常冲击动力学实验的差别首先在于加载手段的不同，不是纯力学方式（即通过驱动器与样品的直接接触施加作用力）加载，而是利用经过样品的电流与其自身产生磁场相互作用的电磁力无接触地加载，其优点是磁压力的高低只与导体样品表面电流密度有关。在不考虑磁扩散的前提下，把流经导体样品表面的电流密度及其分布测量准确，就能准确的给定磁压力。对于简单的电极构形，通常用罗柯夫斯基线圈测量流过的脉冲电流。     

带窗口准等熵压缩实验的流场反演技术

在一维拉格朗日平面准等熵压缩流体力学的基础上,建立了带窗口准等熵压缩实验流场反演方法,给出了界面处压力历史的求法,编制了实现流场反演技术的程序,并与一般流体力学计算进行了比较;对Z575号实验给出的界面速度历史进行了反演计算,给出了的Al 6061-T6等熵压缩线。     

准等熵实验数据处理的反积分方法研究

目前准等熵压缩实验中仅能直接得到加载条件相同、厚度不同的平行样品的自由面/窗口界面速度历程. 为得到固体样品内部的信息, 在基于无黏流体反积分方法的基础上, 对该方法进行了改进, 修正自由面反射对应力波的扰动, 加入流体弹塑性模型计算偏应力, 通过优化调整等熵参考线方程中的参数, 反演出了样品内部任意位置处的准等熵加载历史, 得到了样品的热力学准等熵参考线. 通过和已有的实验计算数据的比较, 验证了反积分方法的可靠性,从而为准等熵实验提供了高效可信的反积分数据处理方法.      

7 km/s以上超高速发射技术研究进展

介绍了毫克至克量级弹丸7 km/s以上超高速发射技术的国内外研究进展,并对各发射装置的工作原理和技术要素进行了简要阐述.基于电磁驱动准等熵加载,美国ZR装置驱动25 mm×13mm×1.0mm铝飞片至46km/s速度,国内CQ系列磁驱动加载装置实现了 10mmx6mmx0.33mm铝飞片18 km/s的发射.借助于金属箔电爆炸产生高压气体驱动,美国利弗莫尔实验室100kV电炮装置驱动9.5mm×9.5 mm×0.3 mm的Kapton膜至18 km/s,国内流体物理研究所98 kJ和200 kJ电炮装置分别驱动?10 mmx0.2 mm Mylar飞片和?21 mm×0.5 mm Mylar飞片到10 km/s.基于阻抗梯度飞片技术,采用汇聚型和非汇聚型结构三级轻气炮,实现了厘米量级铝飞片和TC4钛飞片12～15 km/s速度发射.这些超高速驱动技术的发展,为空间碎片防护研究提供了坚实的技术支持.     

Direct laser-driven ramp compression studies of iron: A first step toward the reproduction of planetary core conditions

The study of iron under quasi-isentropic compression using high energy lasers, might allow to understand its thermodynamical properties, in particular its melting line in conditions of pressure and temperature relevant to Earth-like planetary cores (330–1500 GPa, 5000–8000 K). However, the iron alpha-epsilon solid–solid phase transition at 13 GPa favors shock formation during the quasi-isentropic compression process which can depart from the appropriate thermodynamical path. Understanding this shock formation mechanism is a key issue for being able to reproduce Earth-like planetary core conditions in the laboratory by ramp compression. In this article, we will present recent results of direct laser-driven quasi-isentropic compression experiments on iron samples obtained on the LULI 2000 and LIL laser facilities.     

材料动态强度直接测量的磁压剪实验技术及应用

提出一种用于直接测量动载荷下材料强度的新方法,即磁驱动压剪联合加载实验技术。从理论和数值计算上分析了压/剪联合作用下材料的应力偏量与屈服强度关系,计算斜波加载下压/剪联合作用时应力偏量与屈服强度的时空演化特性,给出材料强度数值的计算方法。并基于自行研制的强脉冲电流装置和10 T准静态磁场发生器,利用多点双光源外差位移干涉仪(dual laser heterodyne velocimetry, DLHV),开展磁压剪实验对2种铝样品的动态强度进行测量,得到不同加载压力下铝样品的强度。结果表明:磁驱动压/剪联合加载技术为材料的高压强度直接测量提供了一种新途径,是可靠的实验技术。     

[100]LiF单晶在60 GPa以内冲击加载下的高压屈服强度特性

获取光学窗口自身的高压强度特性是开展材料高压高应变率冲击响应行为精密测量和数据反演的重要基础。利用平板撞击和双屈服面法,通过冲击-卸载、冲击-再加载原位粒子速度剖面精细测量和数据反演,获得了约60 GPa范围内[100]LiF屈服强度特性随冲击压力的变化规律。结果表明:在实验压力范围内,[100]LiF的屈服强度随加载压力的提高而显著提高,压力硬化效应显著;同时,LiF在冲击加载下的屈服强度高于磁驱准等熵加载结果,应变率硬化效应强于热软化效应。采用Huang-Asay模型确定了可描述冲击加载[100]LiF强度特性的本构模型参数,为LiF在强度、相变、层断裂等加窗测量实验中的深入应用和数据准确解读提供了重要支撑。     

斜波压缩下HMX晶体的弹塑性行为

开展了（010）、（011）晶向HMX晶体的斜波压缩实验,获得了约15 GPa压力下的速度响应剖面。实验结果表明,HMX单晶存在明显弹塑性转变行为,且速度波形有下降趋势,这是材料的黏性效应导致,材料的弹性极限随着样品厚度增加而变化,不同晶向的材料动力学特性存在差异。结合Hobenemser-Prager黏弹塑性本构关系和三阶Birch-Murnaghan物态方程开展了HMX晶体斜波压缩物理过程的数值模拟,计算结果可以很好地描述HMX晶体的弹塑性转变这一物理过程。     

磁驱动准等熵加载装置CQ-4的加载能力及主要应用

利用脉冲大电流与其自身磁场相互作用产生磁压实现对样品平面等熵压缩,是国外新发展起来的动高压加载技术。CQ-4装置是在自然科学基金仪器专项资助下,建立的国内首套可实现110GPa等熵压缩,宏观金属飞片发射达15km/s的紧凑型脉冲功率装置。本文重点介绍该装置的主要性能和加载能力,以及基于其上开展的材料高压本构、相变、未反应炸药等力学行为等应用研究情况。