【汇旺担保】 动态超高压技术

11/16/2022 0 Comments

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[拼音]:dongtai chaogaoya jishu

[外文]:dynamic ultra-high pressure technique

极强的冲击波(即激波)在介质(主要指固体)中传播时,会使介质的压力、密度、温度等状态参量发生急剧变化。这种状态称为动态超高压状态,产生强冲击波的技术称为动态超高压技术。

动态超高压技术及其理论是在第二次世界大战后期发展成熟的。它的任务通常是研究固体靶在动态超高压(压力达100千巴以上,1巴等于105帕)条件下的力学性质。在这种情况下,靶材料的剪下刚度对它们力学响应特性的影响可忽略不计。产生强冲击波的方法主要有:

(1)接触爆炸法;

(2)高速碰撞法;

(3)能量快速沉积法;

接触爆炸法

利用爆轰的高温高压产物对其周围介质的膨胀作功,产生巨大的冲击作用。化学炸药与固体靶接触爆炸(装置见图1)时,在靶中能产生数十千巴到数百千巴的冲击压力。核爆炸比化学炸药爆炸猛烈得多。在封闭式核爆炸条件下(装置见图2),核爆炸的高温产物也对周围介质产生巨大的冲击压力。一个兆吨级TNT当量的核爆炸,在邻接爆室壁的被研究样品中约可产生数兆巴到20兆巴的冲击压力。另外,如果用核爆炸产生的中子去引发相距不远的235U,也可以在贴紧铀块的固体材料中产生强冲击波。美国的C.E.拉根(第三)等就用这方法在钼样品中产生了20兆巴压力的冲击波(装置见图3)。

高速碰撞法

高速弹丸与静止靶相碰,可以在靶中产生强冲击波。当靶材料一定时,碰撞面上的压力p同弹丸密度ρ、弹丸速度v的关系如下:p∝ρv2。加速弹丸的方法主要有气炮加速法和爆炸加速法。

气炮装置一般由高压室、快门机构(活塞头或膜片)、发射管、弹丸等组成(图4)。

实验时,先向高压室充气,达到预定压力时,快门机构迅速开启,高压气体随之进入发射管,弹丸作加速运动,最后平稳地与靶相碰。工作气体通常为空气或氮气,弹丸速度在每秒2000米以下,靶压力在数百千巴以下。如果改用火药推动的活塞压缩高压室中的气体,然后驱动发射管中弹丸,还能进一步提高弹丸的速度。这种装置称为二级轻气炮(图5),

工作气体为氦气或氢气,固体靶中压力可达6~7兆巴。如果用金属箔电爆炸产生的高压蒸气代替高压室气体,就成为一种电炮装置(图6)。在这种装置中,飞片(即弹丸)由金属蒸气推动,经过几毫米长的发射管加速,也可以得到每秒几百米到一万多米的速度。电炮的飞片很薄,所以靶内冲击脉冲作用时间较短。化爆加速飞片的典型装置如图7所示。飞片在爆轰产物的推动下,在数十毫米长的飞行空腔内充分吸收爆轰产物提供的能量,最后达到稳定速度,其值为每秒近一千米到一万多米。聚能装药是一种产生高速射流(可视为无数弹丸的集合体)的装置(图8之a)。

在爆轰波作用下,金属罩发生轴向运动,在轴线处相碰,并形成一股沿轴线运动的高速射流以及后随的低速杵体(射流形成过程见图8之b)。头部射流速度可高达每秒20千米以上,但是射流形状和速度不易严格控制。此外,还有静电加速和电磁场加速弹丸等方法。这些方法驱动弹丸的质量较小,弹丸效能也难以精确控制,较少采用。

能量快速沉积法

在镭射、电子束或核爆炸产生的强X射线等高功率辐照源的照射下,固体靶表面的一薄层物质会在能量快速沉积作用下迅速加热,因而产生一个向深处的“冷”靶内传播的强冲击波(见粒子束爆炸)。已发表的资料多数是脉冲电子束的实验结果,其压力从数十千巴到一兆巴左右。另外,根据美国的R.J.特雷纳等人的分析,利用镭射装置Shiva(能量104焦耳,镭射脉冲半宽度1纳秒),可望在氘、氢化锂、铁和铀中产生50~100兆巴的冲击压力。

如果采取措施使利用上述方法产生的强冲击波形成马赫反射(见空中爆炸),可以提高冲击压力。苏联的Л.В.阿尔特舒勒等人提出了如图9所示的高压装置。实验中,用 420千巴的平面入射冲击波,在铁靶中发生马赫反射,产生1.71兆巴的高压(在马赫波区);当入射波压力提高到1.7兆巴时,铁靶中马赫波后的压力为6兆巴。法国的德博蒙等人还设计成锥形会聚冲击波的马赫反射高压装置(图10):铜飞片在爆轰产物推动下,同时撞击一锥形靶表面,在靶中产生锥形会聚冲击波,并在中心轴的部位上发生马赫反射。他利用这个装置,分别在铀和铜中产生15兆巴和12兆巴的压力。

动态超高压技术在物态方程测量、人工合成新材料(如金刚石)、地球内部结构研究、冲击引爆机理、陨石成坑及对空间飞行器的破坏,以及穿甲、侵彻、爆炸加工等研究工作中是一项重要技术,被广泛应用于固体物理、天体物理、地球物理、固体化学、爆炸力学、军事科学等学科以及许多工业技术的研究工作中。

参考书目

R.S. Bradley, ed., HighPressure Physics and Chemistry,Vol.2,Chap.9, Academic Press,New York,1963.

P.C.Chou andHopkins,ed., Dynamic Response of Materials to Intense Impulsive Loading,Chap.8,p.405,U.S.A.,1973.

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