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准球面汇聚冲击波高压回收装置及材料的冲击合成研究

杨世源  
【摘要】: 冲击波加载技术作为一种极具潜力的材料科学研究手段正逐渐为人们所重视。它被用于研究材料在极端高压条件下组成—结构—性能之间的关系,发现和认识新的物质存在形式及高压介稳相。常用的冲击波加载回收装置为平面和柱面两种形式,对所研究的材料能产生100GPa以下的冲击压力。为了获得更高的冲击压力,人们对利用球面装置进行冲击波汇聚产生超高压力发生了兴趣。 本文旨在利用准球面汇聚冲击波原理,研究能够产生超高冲击压力的准球面汇聚冲击波加载回收装置。通过对起爆方式、装置结构、回收球体及回收试样的系统性研究和试验验证,成功地研制出了能产生300GPa以上汇聚压力、成本低、试样回收可靠性高的准球面汇聚冲击波加载装置,并对该装置中影响压力汇聚的诸因素形成了一些规律性认识。此外,本文还利用各种冲击波加载装置进行了一些材料的冲击合成研究。通过研究得出以下结论和认识: 1.装置采用钢质球体、球壳形炸药和钢质球形外壳三层结构,由十二个均匀分布于炸药表面的起爆点同步起爆,试验的材料样品安置于球体内。经十二次试验,除一次因炸药用量过大导致球体破坏,样品未能回收外,其余试验均获成功,表明该准球面汇聚冲击波超高压装置设计合理,具有较好的实用性和可靠性。根据压力的理论估算结果并结合回收球体金相组织的变化情况推测,本装置在中心球体的球心附近可实现超过300GPa的压力(相当于铁中),为研究材料在超高压高温条件下的结构、性能及物理化学变化创造了条件。 2.为了实现十二点同步起爆,最简便的办法是采用十二个高同步性雷管,但这会使装置成本大大提高。本装置采用的起爆方式为两个高同步性雷管起爆十二根柔爆索,再通过柔爆索起爆分布于炸药球壳表面各起爆点的传爆药柱,从而实现十二点同步起爆。通过试验,由十二个起爆点发出的爆轰波通过相互作用在回收球体的表面留下了近乎标准的正十二面体刻痕图案,球体表面的每一道刻痕都是相邻两个起爆点所发出的爆轰波相互作用的结果,每一道刻痕与相邻两个起爆点的位置关系反映了该两个起爆点的起爆同步性情况。表明该起爆方式具有良好的起爆同步性,不仅保证了冲击波的球面汇聚,而且大大降低了装置成本。 3.炸药种类对装置的实用性和材料试样的回收可靠性有重要影响,试验中对 准球面汇聚冲击波高压回收装置及材料冲击合成研究 JQ习 59固体炸药和硝基甲烷液体炸药进行了对比。通过对两种炸药在回收 球体表面留下的刻痕深浅程度和刻痕图案对称性进行对比分析,可以得出结 论;液体炸药比固体炸药更有利于冲击波汇聚和试样的完整回收。虽然固体 炸药爆能较高,可以获得比液体炸药更高的汇聚压力,但固体炸药在球体表 面留下的刻痕细而深,因此对球体的破坏作用更大。而液体炸药对球体的破 坏作用相对较小。对回收装置而言,汇聚压力的提高应以保证样品完整回收 为前提,在此前提下,可以通过增加液体炸药厚度和改变球体尺寸来实现球 体所能承受的最大压力。从产生的球面波对称性来看,液体炸药的密度比固 体炸药更均匀、传爆速度更稳定。同时,由于传爆药柱与两种炸药的接触方 式不同,在液体炸药中表现为局部面起爆,而在固体炸药中表现为点起爆。 这些都诀定了液体炸药产生的球面波比固体炸药具有更好的球对称性,更容 易实现压力汇聚。因此,采用液体炸药对于实现冲击波汇聚和提高样品回收 可靠性是有利的。 4.多点起爆的同步性是影响球面波汇聚的主要因素,同步偏差越大,汇聚波的 球面对称性越差,汇聚压力越小。回收球体表面的刻痕反映了两个相邻起爆 点发出的爆轰波在球体表面相遇的位置,因此可以通过回收球体表面刻痕间 的位置关系测定相邻起爆点的起爆时间差。基于此,文中建立了评价多点起 爆同步性偏差的检测方法——刻痕法,并对该方法在球面多点起爆同步性检 测中的适用条件进行了分析讨论。该方法不仅适用于多点起爆的球形装置, 同样适用于起爆器件产品的起爆同步性误差的检测,且该方法操作简便、成 本低。 5.将样品安放于偏离球心的适当位置,可以在一定程度上避免球体开裂对样品 的破坏,有利于样品的完整回收。虽然样品位置的压力不如球心高,但可以 通过改变球体尺寸和炸药厚度来提高样品的冲击压力和温度。此外,这种样 品安置方式可以增加球体中样品的安置个数,提高装置的利用率。 ;____,、_.___,。_..、。,h__,__、__、;_,,_、___,。。 6.炸药厚度u)与炸药层外径(ro+h)之比一二上一是影响汇聚波形与汇聚压力的 ro+h ___、,,_;h。。____。__,_、__、t_。,__、___, 重要参数。增大——的取值,有利于改善汇聚波形、提高汇聚压力与球体 ro+h 互二


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