金属材料状态方程精确实验测量技术研究

【摘要】：高压下材料的Hugoniot状态方程(EOS)参数的测量是冲击波物理研究领域中重要的基本研究内容之一。本文研究的目的是建立用于获得高精度冲击Hugoniot状态方程参数的实验测量技术，其核心内容是：发展和完善快响应的电探针技术(作为冲击波到达时间探测器)和多通道的亚纳秒时间分辨能力的电子学记录系统；其二是发展和完善冲击波速度精确测量的方法、数据分析技术以及实验设计技术。 进行冲击波速度测量的必要条件之一是进行冲击波到达时间的精确测量。本文详细介绍了用于冲击波到达时间精确测量的多路测时系统，包括：(1)描述了冲击波探测器——弹簧电探针的结构、导通机理和相应的脉冲成形网络的线路原理，具体分析了影响探针时间响应和信号质量的因素，为灵活搭建基于电探针—网络源的精密测时系统提供了理论和实验依据。(2)描述了多路亚纳秒时间分辨的电子学记录系统的构成、作用及技术关键点，并对影响时间测量的主要不确定度来源进行了分析与B类评定，并设计了多种校验实验对系统的测时不确定度加以验证，证明了多路测时系统的时间分辨力为0.1ns，系统总的时间测量不确定度为0.5ns，为实现冲击波速度的精确测量奠定了硬件技术基础。 本文还详细描述了冲击波速度精确测量的方法、数据分析技术以及实验优化设计技术。包括： (1) 介绍了实验测量冲击波速度的基本方法，给出了测量不确定度的一般表达式，并分析了冲击波阵面的畸变和探针布局对确定冲击波传播时间的影响；介绍了Mitchell的传统探针布局及其数据处理方法，讨论了造成该经典方法局限性的主要原因，指出发展新的探针布局和数据处理方法的必要性。 (2) 建立了冲击波阵面的测量方法一平靶实验技术和数据统计分析技术。大量平靶实验发现二级轻气炮发射的飞片具有三种基本变形及其它们的叠加模式，但可以用一个普适性的标准二次曲面方程来描述由此引起的冲击波阵面，这是进行探针布局设计和优化的基础。平靶实验结果还表明冲击波波形的弯曲量可达到20ns，且非轴对称的弯曲情况出现的比例不少于80％，如果采用传统方法将造成较大的冲击波传播时间测量误差，甚至导致实验失败。 (3) 在平靶实验结果的基础上，提出了一种新的“轮辐式”探针布局以及相应的数据分析方法—“三维波阵面复原法”。这种新方法可对非轴对称的波阵面弯曲进行测量和修正，对该方法的测量不确定度进行了分析。明确提出“方法误差”的概念，并利用平靶实验的数据分析和基于M-C方法的计算机模拟计算，确定了由此造成的冲击波传播时间的测量不确定度。用该技术测量了标准材料在30GPa～400GPa的压力范围内的 Hugoniot数据，结果表明其冲击波速度测量的相对不确定度一1%，验证了该方法的有效 性和正确性。 (4)进一步分析了“轮辐式”探针布局中的“方法误差，’的来源，提出了减小该 类误差的技术措施。对“轮辐式”探针布局和样品靶结构进行了优化设计，同样通过基 于M一C方法的计算机模拟实验优选出最佳的设计方案，并通过动态实验进行了验证。 实验结果表明，优化的技术方案大大减小了冲击波传播时间的测量不确定度，即使在高 达600GPa、冲击波速度高达Hktn/s的情况下，仍能够获得非常精确的冲击波速度数据， 相对测量不确定度一1%。 (5)利用本文建立的实验测量技术，测量了Cu、Ta、R等标准材料在30一600GPa 压力范围内的Hugoniot数据，实验测量结果与国外公开发表的数据相比，具有极好的一 致性，大大充实了我国标准材料数据库。