动态超高压技术(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l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,靶材料的剪切刚度对它们力学响应特性的影响可忽略不计。
形成原理
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;④冲击波
马赫反射法。
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做功,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[化学炸药的接触爆炸装置示意图])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[封闭式核爆炸的高压装置]),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U,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[拉根(第三)等设计的核爆高压装置])。
图1 化学炸药的接触爆炸装置示意图
图2封闭式核爆炸的高压装置
图3 拉根(第三)等设计的核爆高压装置
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>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∝ρv。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 [气炮结构示意图])。
图4 气炮结构示意图 实o时,先向高压室充气,达到预定压力时,快门机构迅速打开,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o进一步提高弹丸的速度。这种装置称为二级轻气炮(图5[二级轻气炮结构示意图]), 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 [电炮结构示意图])。
图5 二级轻气炮结构示意图
图6 电炮结构示意图 在这种装置中,飞片(即弹丸)由金属蒸气c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 [化爆加速飞片装置示意图]所示。
图7 化爆加速飞片装置示意图 飞片在爆轰产物的推动下,在数十毫米长的飞行空腔内l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[聚能装药装置和射流形成过程示意图]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l及后随的低速杵体(射流形成过程见图8[ 聚能装药装置和射流形成过程示意图]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,弹丸性能也难以精确控制,较少采用。
图8 聚能装药装置和射流形成过程示意图
能量快速沉积法
在激光、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,利用激光装置Shiva(能量10焦耳,激光脉冲半宽度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。
冲击波马赫反射法
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..阿尔特舒勒等人提出了如图9 [平面冲击波<赫反射高压装置]所示的高压装置。
图9 平面冲击波马赫反射高压装置 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[锥形会聚冲击波马赫反射高压装置]):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。
图10 锥形会聚冲击液马赫反射高压装置
技术应用
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 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。