飞秒激光在铝膜中驱动冲击波的特性

为探索研究飞秒激光在材料中驱动冲击波的相关特性,采用激光脉冲频域干涉测试技术对脉冲宽度35fs、脉冲能量0.7mJ、功率密度1014W/cm2量级的飞秒激光脉冲在200nm厚铝膜中驱动冲击波的过程进行了实验测量。通过测量冲击波在铝膜中的渡越时间,获得激光脉冲在铝材料中驱动的冲击波平均速度约为6km/s;通过对不同时刻铝膜自由面频域干涉场测量结果的分析,获得铝材料自由表面速度达1km/s,根据平面冲击波的关系,推算其冲击压强达到9GPa。     

飞秒激光在铝膜中驱动冲击波的特性

为探索研究飞秒激光在材料中驱动冲击波的相关特性,采用激光脉冲频域干涉测试技术对脉冲宽度35 fs、脉冲能量0.7 mJ、功率密度1014 W/cm2量级的飞秒激光脉冲在200 nm厚铝膜中驱动冲击波的过程进行了实验测量。通过测量冲击波在铝膜中的渡越时间,获得激光脉冲在铝材料中驱动的冲击波平均速度约为6 km/s;通过对不同时刻铝膜自由面频域干涉场测量结果的分析,获得铝材料自由表面速度达1 km/s,根据平面冲击波的关系,推算其冲击压强达到9 GPa。     

强激光加载铝材料动态损伤特性及其微介观结构观测

在神光-Ⅱ装置上利用强激光加载铝材料进行高应变率（高于106 s-1）层裂实验,研究不同初始温度下高纯铝材料的动态损伤特性。采用任意反射面速度干涉仪测量样品自由面速度剖面,由自由面速度剖面计算纯铝样品层裂强度与屈服应力。结果表明:随着温度升高,材料层裂强度减小,屈服应力增大。对激光加载前后样品进行金相分析,观察不同初始温度下纯铝材料的微介观结构变化及其损伤特性。结果表明：随着温度升高,样品晶粒尺度缓慢增大,但在873 K（近熔点）时晶粒尺度急剧增加;层裂面附近小孔洞数目较多,孔洞尺寸也较大,而远离层裂面处,孔洞数目相对较少,且尺寸也较小;材料的断裂方式随温度升高由沿晶断裂为主逐渐变为穿晶断裂为主。     

强激光加载铝材料动态损伤特性及其微介观结构观测

在神光-Ⅱ装置上利用强激光加载铝材料进行高应变率(高于106s-1)层裂实验,研究不同初始温度下高纯铝材料的动态损伤特性。采用任意反射面速度干涉仪测量样品自由面速度剖面,由自由面速度剖面计算纯铝样品层裂强度与屈服应力。结果表明:随着温度升高,材料层裂强度减小,屈服应力增大。对激光加载前后样品进行金相分析,观察不同初始温度下纯铝材料的微介观结构变化及其损伤特性。结果表明:随着温度升高,样品晶粒尺度缓慢增大,但在873K(近熔点)时晶粒尺度急剧增加;层裂面附近小孔洞数目较多,孔洞尺寸也较大,而远离层裂面处,孔洞数目相对较少,且尺寸也较小;材料的断裂方式随温度升高由沿晶断裂为主逐渐变为穿晶断裂为主。     

动态断裂过程的数值分析及LY-12铝的层裂

 本文从文献[1]中用于分析柱壳动态膨胀断裂过程的损伤度函数出发，将它推广到对一维应变下层裂过程的数值模拟研究。试件材料为LY-12铝，其特性方程取为含粘性的本构方程形式。数值计算结果很好地再现了实测自由面速度u_fs随时间t的变化过程，并表现出层裂强度σ_c及层裂面上的临界损伤度α_c都分别是应变率ε_c'的单调递增函数关系。σ_c~ε_c'的这种变化规律在许多文献中已屡见报道，例如可见文献[2-3]。在10⁵ s^-1~10⁶ s^-1应变率范围内，σ_c~ε_c'关系可以表示为ε_c'exp(-11.4α_c)=2 100 s^-1，这个式子可以作为一种层裂判据使用。数值计算还给出了层裂片的损伤度剖面，其形状特征与Barbee等对回收试件的细观测量结果在定性上一致。     

高应变率压缩加载下LY12铝圆管的剪切断裂研究

 通过回收破片的断口观察和金相分析研究了LY12铝圆管在高应变率压缩过程中的剪切断裂现象；回收破片具有典型的剪切断裂特征，断口与径向近似成45°夹角，断口观察发现断口面经历过径向摩擦；破片金相分析表明，绝热剪切带和裂纹首先在圆管内壁附近产生，然后沿最大剪应力线向外壁扩展。利用数值计算给出了圆管在内爆压缩加载下管壁内微元的应力、应变历史，为分析LY12铝圆管的剪切断裂提供了参考。     

氦泡铝的层裂特性实验研究

含氦泡材料的动态断裂性能是多个研究领域关注的重点。采用平板冲击实验技术,对含有氦泡、硼等杂质的铝材料进行了层裂实验研究,由双光源混频系统分别测量了纯铝、掺硼铝以及两种氦浓度的含氦泡铝样品的自由面速度,对比分析了不同杂质影响下铝材料的层裂强度及其差异。实验显示:纯铝的层裂强度为1.28 GPa,引入硼杂质使铝的层裂强度显著降低,降低幅度接近50%;中子辐照掺硼铝引入氦泡后,对铝的层裂性能没有造成进一步影响,说明采用中子辐照掺硼铝方法制备含氦泡铝时,氦泡效应不显著,即氦泡对材料的动态断裂性能影响有限。此外,根据实验测量结果,简要讨论了硼和氦泡等对铝的Hugoniot弹性极限的影响。     

强激光辐照下纯铝动力学响应和层裂的数值模拟

采用改进的损伤度函数模型,该模型将材料损伤断裂看作为一种典型的逾渗过程,根据逾渗临界准则,采用应力松弛函数来描述损伤后期微损伤之间的连通效应,考虑了损伤对材料本构的影响,对纯铝在强激光辐照下的动态力学响应和层裂破实验进行了数值模拟。通过高斯分布激光脉冲压力加载,计算分析了激光与样品相互作用。计算结果表明：损伤演化明显地改变了材料力学响应以及样品中波传播特性,计算较精确地再现了实测自由面速度随时间的变化过程。根据计算结果分析了损伤演化过程,485 μm厚样品中损伤的分布主要集中在距离样品后界面100 μm 范围内,具有明显的损伤局部化特征,最大损伤值为11.2%。     

强激光辐照下纯铝动力学响应和层裂的数值模拟

 采用改进的损伤度函数模型,该模型将材料损伤断裂看作为一种典型的逾渗过程,根据逾渗临界准则,采用应力松弛函数来描述损伤后期微损伤之间的连通效应,考虑了损伤对材料本构的影响,对纯铝在强激光辐照下的动态力学响应和层裂破实验进行了数值模拟。通过高斯分布激光脉冲压力加载,计算分析了激光与样品相互作用。计算结果表明：损伤演化明显地改变了材料力学响应以及样品中波传播特性,计算较精确地再现了实测自由面速度随时间的变化过程。根据计算结果分析了损伤演化过程,485 μm厚样品中损伤的分布主要集中在距离样品后界面100 μm 范围内,具有明显的损伤局部化特征,最大损伤值为11.2%。     

飞秒激光使铝变成金色

古代的炼金术士一直梦想用普通金属炼成黄金,现在终于出现一种不用电镀而把金属变成不同颜色的新技术。美国纽约市罗彻斯特大学（University of Rochester）光学研究所的武罗比耶夫（A、Y．Vorobyev）和郭春雷（Chunlei Guo音译）利用飞秒激光脉冲催生的纳米结构使铝呈现金色、黑色或灰色,而且这些颜色与观察角度毫无关系。     

激光加载锡的动态破碎颗粒尺寸分布

基于Grady能量破坏准则,结合固体动态断裂碎块尺寸分布规律研究结果,提出了材料微层裂破碎颗粒质量分布改进模型,并对强激光加载下锡的熔化破碎实验进行了理论计算。研究显示,理论计算的锡的微层裂破碎颗粒分布数随直径变化规律与实验结果一致,模型进一步改进需考虑应变率变化等更多综合因素影响。     

激光加载锡的动态破碎颗粒尺寸分布

基于Grady能量破坏准则,结合固体动态断裂碎块尺寸分布规律研究结果,提出了材料微层裂破碎颗粒质量分布改进模型,并对强激光加载下锡的熔化破碎实验进行了理论计算。研究显示,理论计算的锡的微层裂破碎颗粒分布数随直径变化规律与实验结果一致,模型进一步改进需考虑应变率变化等更多综合因素影响。     

强激光辐照下纯铝的力学响应和层裂的实验测量与分析

 采用速度干涉（VISAR）测试技术,对强激光辐照下纯铝的动态力学响应和层裂特性进行了实验测量和分析。样品厚度分别为200 μm 和485 μm,激光脉冲的半高宽约为10 ns,功率密度变化范围为10¹⁰~10¹¹ W·cm^-2。实测了样品自由面速度波形,反映了强激光加载作用下材料损伤演化过程以及损伤对材料动态响应的影响。计算得到了冲击波强度(2.0~13.4 GPa) 和不同拉伸应变率下铝的层裂强度(1.6~2.3 GPa)。在所采用的实验条件和1维近似下,激光辐照产生的冲击波强度与激光功率密度之间成线性关系。最后讨论了层裂强度与拉伸应变率之间的关系,显示层裂强度随着拉伸应变率的增加而增大。     

强激光辐照下纯铝的力学响应和层裂的实验测量与分析

采用速度干涉（VISAR）测试技术,对强激光辐照下纯铝的动态力学响应和层裂特性进行了实验测量和分析。样品厚度分别为200 μm 和485 μm,激光脉冲的半高宽约为10 ns,功率密度变化范围为1010~1011 W·cm-2。实测了样品自由面速度波形,反映了强激光加载作用下材料损伤演化过程以及损伤对材料动态响应的影响。计算得到了冲击波强度(2.0~13.4 GPa) 和不同拉伸应变率下铝的层裂强度(1.6~2.3 GPa)。在所采用的实验条件和1维近似下,激光辐照产生的冲击波强度与激光功率密度之间成线性关系。最后讨论了层裂强度与拉伸应变率之间的关系,显示层裂强度随着拉伸应变率的增加而增大。     

非一维应变冲击加载下高纯铜初始层裂行为

提出了一种锥形靶层裂实验新方法,开展非一维应变冲击条件下高纯铜初始层裂行为实验研究,讨论了锥形靶内部损伤分布特征及其与自由面速度典型特征之间的内禀关系.结果显示:1)初始层裂的锥形靶内部出现了连续损伤区,损伤区扩展方向与锥面平行,从锥底到锥顶呈现了不同的损伤状态,从微孔洞独立长大到局部聚集,最后形成宏观裂纹,这种损伤状态分布特征归因于锥形靶内部拉伸应力幅值和持续时间的空间演化;2)通过锥形靶横截面损伤度定量统计分析,揭示损伤演化早期的微孔洞成核与早期长大过程是随机的,而损伤演化后期的微孔洞聚集过程具有显著的局域化特征;3)不同位置处实测的自由面法向粒子速度剖面呈现出典型的层裂Pull-back信号,但是通过与内部损伤分布特征对比,揭示基于Pull-back速度获得高纯铜层裂强度本质是微孔洞成核阈值应力,Pull-back回跳速度斜率反映了损伤演化速率,Pull-back回跳幅值与损伤度引起的应力松弛密切相关.     

超高应变率拉伸破碎铝的粒子尺寸测量

材料在超高应变率下发生的动态拉伸破碎是冲击波物理领域的一个重要内容,受诊断技术限制,粒子尺寸直接测量的数据非常有限。基于脉冲激光同轴全息技术,建立了一套材料超高应变率破坏状态和破碎粒子诊断的高精度联合测量系统,利用该系统,成功开展了107～108/s超高应变率范围内铝的动态破碎粒子在位测量,获得了粒子尺寸分布数据。     

超高应变率拉伸破碎铝的粒子尺寸测量

材料在超高应变率下发生的动态拉伸破碎是冲击波物理领域的一个重要内容,受诊断技术限制,粒子尺寸直接测量的数据非常有限。基于脉冲激光同轴全息技术,建立了一套材料超高应变率破坏状态和破碎粒子诊断的高精度联合测量系统,利用该系统,成功开展了107～108/s超高应变率范围内铝的动态破碎粒子在位测量,获得了粒子尺寸分布数据。     

初始应力状态对材料层裂破坏特性影响研究

含损伤的本构一直是损伤力学研究的重要内容,其研究核心在于如何把损伤变量引入本构方程中。一维平面应变下的层裂实验是获得高应变率下（大于10^4S^-1）含损伤本构的重要手段,其思路在于通过调节损伤度函数中的临界损伤度等参数,使得样品后自由面速度曲线的计算结果与实验结果基本一致,从而反推出材料的基本损伤参数,再以应变等价原理为基础,采用这些参数去计算更为复杂的损伤形式（如圆管膨胀断裂）。本课题通过对样品施加径向预应力,构造不同于一维平面应变的应力环境,考察它对层裂强度的影响程度,并探讨损伤参数的可移植性问题。     

飞秒激光辐照铝材料的分子动力学数值模拟

飞秒激光辐照金属材料的过程是一个复杂的物理过程，涉及等离子体、材料熔化和喷溅、热波的产生和发展等方面。用传统的连续介质力学的方法对这一过程进行数值模拟还有困难，包括高应变率下材料参数选取，状态方程的描述等，另外固液界面的产生及熔化材料的喷溅也超出了连续介质假设的范畴。与连续介质力学的方法不同，分子动力学方法是基于统计力学的计算方法，通过对材料中单个原子的受力进行分析，从而模拟整个模型状态的计算方法，避免了连续介质假设的局限。     

超高应变率载荷下铜材料层裂特性研究

超高应变率载荷下材料层裂特性研究对理解极端条件下材料动态破坏特性具有重要意义.利用双温模型结合分子动力学模拟研究分析了超高应变率载荷下铜材料的层裂特性,发现当应变率在10~9s~(-1)—10~(10)s~(-1)内时,铜材料层裂强度在19 GPa附近波动.而当材料发生冲击熔化时,铜的层裂强度下降到14.89 GPa.利用飞秒激光对铜样品靶进行冲击加载,并利用啁啾脉冲频谱干涉技术开展超快诊断,通过单发次实验测量获得了样品靶的自由面粒子速度演化历史,结果未见表征样品层裂的速度回跳和速度周期性振荡信号.结合冲击动力学理论得到样品自由面附近最大加载压强为8.18 GPa,小于超高应变率载荷下铜材料的层裂强度.此外,对回收样品扫描分析发现,铜样品未发生层裂且飞秒激光引起的冲击波对样品表面结构产生了很大影响.