斜波驱动下固体材料的准等熵压缩.docVIP

 PAGE \* MERGEFORMAT 7 斜波驱动下固体材料的准等熵压缩 SMHD 固体材料的磁驱动等熵压缩（Isentropic Compression Experiments, ICE）是近几年发展起来的一种新型实验加载和研究技术，目的是测量材料的等熵压缩线，可作为Grüneisen方程或其他理论状态方程的重要参考线, 改进对偏离Hugoniot状态（off-Hugoniot）的认识。对于某些过程较长的爆炸装置，用等熵压缩描述其中材料状态的变化，可能更接近于真实的情况。 根据热力学第二定律，沿等熵线的比内能函数，即是压力对比容积分的负值 。和一起组成了Grüneisen型状态方程的另一类参考线，可以提供准等熵状态下材料动力可压缩性质的重要信息。另一方面，磁驱动等熵压缩实验的等熵程度较高，压缩过程中材料样品的温升较低，避免了冲击压缩中材料升温甚至融化、气化，给物态方程测量带来的不确定性。在一定的压力、温度范围内，依据等熵压缩绝对测量数据可给出关于高压状态方程的有用信息。众所周知相对于冲击压缩而言，同样压力幅值下等熵压缩可得到更高的物质密度。磁驱动等熵压缩是材料动力学研究途径的重大创新，非但具有很高学术价值，而且具有范围广泛、意义深远的应用前景。 材料中磁驱动压力波的幅值随时间而上升，其前沿越来越陡，在一定传播距离后会转变为冲击波，此时使用离片技术可驱动很高速度的飞片，例如把厚度为几十至几百微米、直径为厘米左右的金属飞片加速到20~50 km/s 范围，并且保持很好的完整性、平面性和初始状态。除了地下核试验之外，这是目前在实验室中高速驱动所达到的最高水平，已经应用于状态方程的实验研究。 由于较强动力压缩下材料发生塑性变形、粘性流动等不可逆耗散过程，不可能做到严格的等熵压缩。当整个过程中耗散所生成的热量比压缩能量小得多，并且过程进行得很快，可忽略样品与外界的热交换，则可通过样品在实验中的温升数据对其熵增作出估计。如果这样的熵增引起的测量误差可以控制在允许的范围，则称之为准等熵过程。相对于其他一些实验方法而言（如多级飞片、梯度飞片或非线性材料等改进的传统方法），磁驱动等熵压缩的明显优越性在于，它是一种既能达到TPa 级压力、又可保持较高等熵程度的准等熵过程。 固体材料具有体粘性、位错和其他内耗缺陷，因此严格的冲击加载或者真正的等熵加载都难以实现，需要讨论的是怎样的加载条件比较接近理想的冲击或等熵情形。美国华盛顿州立大学Ding[71]计算了类似于6061铝合金的体粘性材料，幅值200GPa以上的加载冲击波剖面形状不变，但其时间尺度有不同倍数，相当于波的上升前沿不同，最陡的约为0.2~0.3ns（“冲击波”），放大50倍者即为10~15ns。在一定的本构和热力学关系下计算材料中的参数剖面（图1.2），体积压缩一倍处，“冲击波”最高温度接近10000K，熵增大于2500 J/kgK, 最高应变率约3?109/s。相同压缩下，前沿放大50倍者的温度约2300K，熵增~1000 J/kgK，最大应变率略高于5?107/s。熵增为零的等熵压缩情形，相应的加载温度是800K。由此可见，前沿展宽到50ns以上的斜波加载，其效果已接近于等熵压缩而远离冲击波情形了。根据以上分析，磁驱动等熵压缩的前沿一般在300ns以上，其等熵程度自然很高，高功率激光驱动的斜波加载，前沿达到10~20ns，无疑也较接近于等熵的情形。 Sandia实验室应用Z机器的较短脉冲的强电流（20MA），驱动1～2厘米直径的磁等熵压缩样品或高速飞片，已达到数百万大气压或32km/s的速度，经过改进的ZR装置具有TPa量级等熵压缩能力和43km/s以上的高速飞片驱动能力。 当电脉冲功率装置短路放电产生的强电流，流经由两个相近的平行导电平面所构成的回路时，电流产生的磁场与电流本身相互作用产生洛伦茨力（即磁压力），在这两个平面电极板之间起排斥作用，即对电极板材料施加压力脉冲。放电电流的时间波形通常接近于正弦形状，由于磁压力正比与电流密度的平方，在一定时段中很接近于随时间线性平滑地上升。也就是说放电一开始，从两个导电表面各向其材板的厚度方向作用有平滑上升的压力波，在这样的加载作用下材料经历等熵程度很高的压缩过程。一旦此压力波到达电极板的另一外表面时（自由面或窗口界面），反射稀疏波，使该自由表面朝外加速运动，其速度历程提供了加载中材料状态的信息。当磁力作用过程较长时，该板材就成为飞片整体飞出。 条形电极板可由样品材料制成（如铜、铝等良导体），样品即是电极板上盲孔的底部，或是放置于盲孔底面上的圆片形样品；如果待测量材料不是良导体，则可将一定厚度的材料样品置于良导体电极板的盲孔中，盲孔底部既是电流通道、又对紧贴的样品提供磁驱动压力波加载作用。等熵压缩实验必须限制样品厚度，否则