冲击波物理与爆轰物理研究进展

飋飋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋物理 38 在中国工程物理研究院(以下简称中物院)建院50 周年之际,文章作者对近年来在中物院开展的冲击波 物理与爆轰物理探究工作进展状况作了介绍 其次,简单解读了过去完成的几个代表性研究工作 然后,对最近主要的研究方向,其中包含冲击波温度检测和高压熔化规律研究、高密度气体物态方程研究、固体物质的宽区物态方程实验和理论探究、高压本构关系研究、材料的病变演化及动态破坏研究、爆轰 波传播规律与驱动飞层研究,以及高能起爆性能与热点形成机制研究在试验技术、规律性探索到理论模型方面 取得的最近主要进展作了重点介绍 ,冲击波物理,爆轰物理,冲击动力学,爆炸力学Shockwaveanddetonation sicsresearchintheChineseAcadem sicsZHAOFeng 暋暋TANHua暋暋WUQiang暋暋CAILing灢Cang TANDuo灢Wang暋暋ZHUWen灢Jun briefreviewispresentedoftheresearchonshockwaveanddetonationphysicsintheAcademy。

Conceptsandap灢plicationsareintroducedfirst followedbyabriefreviewofsometypicaladvancesinthepastyears。Wefocusontherecentbreakthroughsinexperimentaltechnology shocktem灢peraturemeasurementsandmeltingdiagnostics theunifiedEOSofsolidmaterials andtheinitiationandformationofhotspotsforheterogenousexplo灢sivesareexplicitlydescribed。Finally weputforwardsomesuggestionsforfutureresearch。Keywords暋暋nuclearweapon explosiondynamics*暋国家自然科学基金(批准号: 10772167 )、中国工程物理研究院预 研基金(批准号: 2009A0201008 )资助项目 2009-11-10收到 概述冲击波物理与爆轰物理是一门典型的交叉学科, 它涵盖到物理学中的高压凝聚态物理和爆炸力学,力 学中的爆炸物理和冲击动力学,以及极端条件下的材 料科学和物理等,它是演进物理设计科技、工 程设计科技和装备效应研究的重点基础学科,是创建 武器物理学和工程学的主要科学基础 中国工程物理研究院冲击波物理与爆轰物理学科的演进仍然与我国研制工作紧密联系 是运用高能爆炸释放的物理可压缩核材料,并 使之最后出现核爆炸的十分精密和复杂的系统 是氢弹动作的主要过程,在所列举的13 键过程中,起爆、传爆、冲击、卸载、推进、压缩、减速和压紧 个过程都属于冲击波物理与爆轰物理的研究范畴 因此,研究从点火到造成爆炸,到爆轰波传播、推进并压缩飞层材料冲击波物理,直到最后出现 中国工程物理研究院建院50 周年 物理38 飋飋核爆炸的极度短暂的内爆过程中出现的各类物理、力 学跟物理现象,获取上述重要过程中的各类数据和规 律性认识,是设计、研制、改进和性能检测的重 要根据,同时也组成了中物院冲击波物理与爆轰物理 学科探究工作的核心内容 研究工作的评述早期的探究工作是密切围绕设计推进的 主要的代表性工作包含爆轰波聚焦元件的设计、网络起爆设计、化爆加载技术跟气体炮加载技术,以及 配套的试验检测科技 在完成这种工作的基础上,开展了高能冲击起爆和爆轰性能研究,材料冲击雨贡 纽状态方程测量和冲击温度的检测、材料动态磨损和 断裂并且材料的冲击相变与合成等方面的试验诊断技 术、响应特征、理论建模和数值模拟计算的探究工作 提出或演进了流体动力学的特点线理论、实验物态方程理论、含空隙材料的状态方程、爆轰波传播的二维几 何光学模型、高能冲击起爆临界判据、材料脱落的 损伤度函数建模、高压本构关系模型和冲击温度检测 技术等 这些研究进展的获得为我们进一步加强冲击波物理与爆轰物理奠定了稳固的基础 近期研究工作进展介绍3。

1暋 冲击波物理研究进展 针对武器内爆过程中涉及的重要物理难题对冲 击波物理探究工作强调的意愿,开展了相关材料的 冲击波温度与低压熔化特性研究,高密度气体物态 方程研究,宽区物态方程实验和理论探究冲击波物理,高压本构 关系研究和材料受损演化及动态破坏研究等 3。1。1暋冲击波温度检测和高压熔化规律研究 材料在冲击压缩下的频率跟熔化特性,直接关 系至材料的压缩状态跟动力学行为的准确叙述 击波频率测量的方式之一是测量物质在低温下的辐射密度,通过与黑体或灰体辐射理论对比获得温度 以“理想界面模型暠为基础的辐射法冲击波温度测量技术在实际利用中遭遇了试验技术上跟物理建模上 两方面的困难:样品制备和试验数据解析 研究人员在过去工作的基础上强调了冲击波温度测量的“非 理想界面模型暠,以及直接检测高压熔化温度的建模 和试验方式,对铁、铜、钽和陨石等典型材料的冲击 波频率跟熔化温度进行了系统探究,解释了大量以 来困扰辐射法测温实验的一些难题,成功地受到了 这些材料的在数百 GPa 压力下的熔化温度 [8—13] 3。1。2暋高强度气体物态方程研究 高密度氢、氦以及同位素混合氢气的物态方程 是物理模型所需的重要数据 将室温常压下的组分气体混和后进行冲击压缩,不能产生 物理感兴趣的低温、高压和高密度状态 100GPa压力跟 10 温度的混合氮气物态方程数据,研制了首套适用于二级轻气炮试验的高温致 密气体样品装置,用它检测了氮、氘、氦以及混合气 体的冲击绝数据及冲击波温度 得到了气体中最高冲击压力超过 25 GPa ,最高温度达到近 10000K ;同时还受到了受冲击气体的电子数密度 与冲击温度的关系曲线,为研究氮、氘、氦混合氢气 物态方程提供了可靠的试验数据和基本物理图 我们还构建了多元稠密混合气体反应动力学模型,确立了对高密度氦部分电离区物态方程的 计算建模,在考量 He 之间相互作用的基础上,建立了粒子化学势的非理想电离平衡方 程;采用谓词流体变分过程对函数求解,计算了模式 的热力学状态参量 10000K和在各类混合比例下的物态方 程及离化度随浓度和湿度差异的曲线 [16—19] 3。

1。3暋固体物质的宽区物态方程实验和理论探究 在内爆过程中涉及的压力 温度范围内,固体物质将经历固、液、气、等离子体等多种 相态的差异,建立一个能够在宽广的热力学状态范 围内对物质经历的固、液、气和等离子体态等物相变 化过程进行全面叙述的宽区物态方程,一直是探究 工作关注的一个重要基础问题 中国工程物理研究院建院50 周年 http 飋飋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋物理 38 固相变,通过波剖面测量,研究冲击相变波剖面的特点,首次观测至了冲击波压缩造成的塑料锡从体 心四方( bct )相到体心立方( bcc 固相变,由此确定了塑料锡在冲击波压缩下随加载压力下降而 发生的 曻bcc相的复杂序列相变,解释了 文献数据中强调的有关质疑 [20,21] 其次,基于分子动力学计算模拟,揭示了冲击波压缩下金属铁在高压下 (六方密排结构)相变的完整动力学过程及弊端对相变机制的制约,对美国文献中 争论多年的铁冲击相变模式问题强调了新的看法,为 建立多相物态方程提供了物理根据 [22] 选择单质金属铑和化合物Fe-O-S 等两种典型材 料作为定标材料 利用静高压实验检测了金属铂等温物态方程的基本数据,共获得 49 个压力点跟 153 个频率测点的试验数据,最高压力超过 45GPa 高温度为1700K。

对比第一性原理计算或者冲击波 压缩数据,建立了塑料铂的宽区物态方程 其次,对化合物 Fe-O-S (地球深部的一种重要矿物)的高 温高压 物态方程进行 232GPa压力范围内制定了化合物 Fe-O-S 的高压物态方程,该研究结果虽然对静高压实验中 压力的定标具有重要意义 [23] ,而且对宇宙深部物质 组分的物理化学建模也具备重要含义 基于第一性原理,采用原子集团变分法,对合金材料 Ni3Al 的冲击波压缩 Hugoniot 曲线进行了计 算分析,发 TPa数量级压力范围均与的波剖面数据,获得了 令人满意的结果 2002年首先强调 93 钨材料剪 切应力与屈服强度之比遵循经验关系 [29]的基础上,我们既承认了该经验关系式对 Al [30-34],为解决冲击压缩下屈服强度测量 方法提供了一条有效方式 图2暋实验检测的剪切模量与压力关系3。

1。5暋 材料的损害演化及动态破坏研究 金属材料的损害破坏是一个多尺度、多物理相 互作用的瞬变动力学过程,需要从多个方面加强研 在微观尺度方面,对单晶铜中的单个纳米孔洞在动态读取下的演变发展进行了探究,得到了孔洞增 长过程中的应力分布及裂缝增长演化的差异规律, 揭示了空洞增长过程中周围基体介质的位错生成和 位错发射机制,发现剪切型位错环发射的各向异性 特征(如图 所示),推导出一个简明清晰的解读模型,解释了这些塑性特征的晶体取向效应 研究证实,基于剪切型位错环发射模式的弹性模型可以获 得早期孔洞各向同性增长的演变规律 [35,36] 中国工程物理研究院建院50 周年 物理38 飋飋图3暋孔洞增长中的剪切型位错环发射暋 )剪切型位错环发射孔洞占空比作为损伤度,并强调了标志损伤演化行 为的两个临界阈值判据 所示,第一个是微孔洞开始聚集的机理,其之后的演变行为可用逾渗理 论表述;第二个是孔洞聚集程度超过发生灾变(崩 溃)式拉伸型断裂行为的阈值条件,可以用作表征延 性材料断裂的串扰判据 利用平面层裂实验确认的机理参数,成功地解释了滑移爆轰驱动下钢圆管内 爆过程层裂和钢圆管膨胀过程的轴向断裂实验结 果,进一步说明此拉伸断裂判据与样品几何构架无 图4暋临界损伤度阈值判据我们还运用该损害模型对纳米晶体铜薄膜的动 态拉伸破坏机理实验测定结果进行了解析 [39,40] 示了纳米晶体铜薄膜在超高拉伸应变率(10 的层裂强度高达3GPa ,明显低于多晶铜的层裂强 度的成因 结合透射电镜观察预测和分子动力学模拟结果,推断出纳米晶体中存在的长期晶界有效地 阻碍了位错运动,提高了防拉伸强度,由此也印证了 该损伤模型的合理性和普适性 在裂纹传播方面,我们从细观尺度上研究了超弹性材料中裂纹的传播规律,发现了裂纹传播模式 及速度虽然与裂纹周围的挠曲、应变及材料粘性有 关,而且还与非局域效应的蠕变(或应变)梯度有关, 并顺利地解释了困扰国外同行多年的橡皮膜裂纹尖 端振荡传播的独特实验现象(如图 所示),证实裂纹尖端的非局域效应也许是制约裂纹传播的关键作 用原因 [41] 图5暋超弹性材料中裂纹的传播3。

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