2018年  32卷  第2期

特别约稿与研究综述
氢的高压奇异结构与金属化
耿华运, 孙毅
2018, 32(2): 020101. doi: 10.11858/gywlxb.20170674
摘要:
在极端压缩状态下,氢呈现出丰富的物理及化学变化,其结构与相图揭示了凝聚态物质高压行为的典型特征,在天体物理和新材料研究中有重要应用。本文简要回顾了金属氢概念的提出,以及直至最近几年的研究进展,分析总结了高密度氢研究中的一些核心问题和发展态势。利用密度泛函理论计算和状态方程模型分析,综合探讨了氢在高压下复杂的原子结构、分子氢离解区域附近的复杂行为、金属氢的亚稳定性和可回收性,以及“DAC+冲击”加载方法在金属氢研究中的优势与不足等问题。结果表明:通过快速或缓慢的压力释放回收金属氢的高压相到常压是几乎不可能的;高压下氢的复杂行为给实验和理论研究带来了巨大挑战,特别是离解区域附近理论与理论、实验与实验、以及理论与实验之间的结果都存在巨大差异,暗示当前通用的实验测试方法和常用的多电子理论计算方法还存在很大的改进空间。
立方聚合氮(cg-N)的高温高压合成
雷力, 蒲梅芳, 冯雷豪, 戚磊, 张雷雷
2018, 32(2): 020102. doi: 10.11858/gywlxb.20170672
摘要:
以共价N─N单键结合的三维网状聚合氮(cg-N)是一种理想的高能量密度材料。在室温下将分子态氮加压至135.6GPa,观测到了氮的一系列“固体分子态-固体分子态”转变(β-δ-ε-ζ-η);且在不引入任何激光吸收材料的情况下,直接对红色的非晶η氮进行双面金刚石压砧激光加热,在133.9GPa、2000K的条件下成功地合成出透明cg-N,并测量得到cg-N在134GPa附近拉曼A模频率对压力的变化率为1.56cm-1/GPa。
高压物性与结构
高压下立方BC3的力学和热力学性质
常少梅
2018, 32(2): 021101. doi: 10.11858/gywlxb.20170640
摘要:
采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势方法,系统地研究了立方BC3在常压和高压下的晶格常数和力学性质,包括弹性常数、弹性模量和力学各向异性。利用准简谐近似下的德拜模型研究了高温高压条件下的热力学性质。研究结果表明:常压下立方BC3具有较大的弹性模量和力学各向异性;高压下,立方BC3的晶格常数、弹性常数和弹性模量显著增加。热力学性质的计算结果表明,立方BC3具有较高的德拜温度,其摩尔定容热容和摩尔定压热容在高温高压条件下呈现明显的变化。立方BC3的德拜温度随着压力的增大而增加,但随着温度的增大而明显减小。
Physical Property & Structure
Electrical Transport Properties of Hexagonal TaSi2 Crystals Based on Structural Stability under High Pressure
LI Xiaoyang, LU Yang, YAN Hao
2018, 32(2): 021102. doi: 10.11858/gywlxb.20170571
摘要:
As a class of stable low-resistivity and high-temperature materials, tantalum disilicide (TaSi2) has been widely used in integrated circuits.Therefore, its electrical stability is as important as its structural stability.Here, we report the electronic transport properties of TaSi2 based on structural stability under high pressure.Its stable crystallographic structure was studied by synchrotron X-ray diffraction and Raman spectroscopy experiments up to 20 GPa.In situ high-pressure resistance measurements revealed that the resistivity of TaSi2 has a trend to be steady at the value of about 2 μΩ·cm under pressure increasing up to 16.3 GPa.Futher, the electronic structure of TaSi2 under pressure was theoretically calculated to understand its metallic behavior.
Crystal Structure and Stability of LiAlH4 from First Principles
ZHANG Yilong, CUI Man'ai, LIU Yanhui
2018, 32(2): 021103. doi: 10.11858/gywlxb.20170561
摘要:
The structural stability of LiAlH4, a promising hydrogen storage material, under high pressure was researched using the ab initio pseudopotential plane wave method.It is found that the phase transition occurs at 1.6 GPa from the α-LiAlH4 phase to the β-LiAlH4 (space group I2/b) phase.This phase transition is identified as first-order in nature with volume contractions of 18%.Moreover, the analysis of the phonon dispersion curves suggests that phase transition is related to the phonon softening.Mulliken population analyses indicated that the ambient phase (α-LiAlH4) is expected to be the most promising candidate for hydrogen storage.
高压技术与新材料合成
原位测量金刚石压砧在高压下的杯型形变
刘盛刚, 敬秋民, 陶天炯, 马鹤立, 王翔, 翁继东, 李泽仁
2018, 32(2): 023201. doi: 10.11858/gywlxb.20170548
摘要:
基于白光频域干涉的基本原理,提出了一种可实现高压下金刚石压砧杯型形变原位测量的方法。简单介绍了利用频域干涉技术测量金刚石压砧在高压下的杯型形变的基本原理,并开展了实验研究,实验最高压力达到42.1GPa。实验结果显示,金刚石压砧的杯型形变与压力呈线性关系,最大值达到11.1μm,从实验上证实了最近的有限元数值模拟结果。
高硬度超导三元碳化物的高温高压合成
郜浩安, 马帅领, 包括, 朱品文, 崔田
2018, 32(2): 023301. doi: 10.11858/gywlxb.20170633
摘要:
采用高温高压合成手段,以纯度均在99.8%以上的钼粉、钨粉和石墨粉作为合成原料,在压强5.0GPa、温度2000K、保温时间60min的条件下成功制备出MoWC2样品。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、显微硬度仪、综合物性测量系统和热重-差热分析仪对合成样品进行了物性表征。结果表明:合成的MoWC2晶体为六角结构,其空间群为P6-m2;晶粒大小为1~4μm,结晶质量良好;MoWC2的收敛硬度值为15.3GPa;氧化温度为450℃;温度低于6.8K时体现超导电性。MoWC2的轨道杂化很强,因而具有较高的硬度和抗氧化性。同时,MoWC2费米面处态密度和德拜温度较高,使其成为一种超导材料。由此可知,MoWC2是一种兼具超导性、耐热性和较高硬度的硬质超导多功能材料。
亚微米级聚晶金刚石的高温高压合成
卢景瑞, 寇自力, 刘腾, 张雷雷, 丁未, 张强, 王强, 杨鸣, 龚红霞, 贺端威
2018, 32(2): 023302. doi: 10.11858/gywlxb.20170574
摘要:
聚晶金刚石作为超硬材料具有很广泛的应用,常用于油气钻探、切削刀具、耐磨零件等领域。目前,工业上合成聚晶金刚石的内部晶粒尺寸一般都在微米量级以上,而合成微米级以下的聚晶金刚石则要面临很多困难。本工作使用熔渗法在高温高压的条件下合成了亚微米级聚晶金刚石,并对合成的样品进行了X射线衍射、扫描电子显微镜、电子背散射衍射、能谱、硬度等分析测试,结果表明:在5.5GPa、1500℃、保温15min的情况下成功合成了维氏硬度高达57.0GPa的亚微米级聚晶金刚石;分层组装的方法可以使Co均匀地分散在聚晶金刚石样品中,呈现出圆孔状,从而保证样品具备均匀、优异的性能。同时,通过对烧结工艺的探索发现,温度和保温时间在亚微米级聚晶金刚石的合成过程中起着非常重要的作用。
纯PCBN高压烧结行为与工艺规律
邓雯丽, 邓福铭, 张鹏, 周蕾蕾, 席沛尧, 马向东
2018, 32(2): 023303. doi: 10.11858/gywlxb.20170617
摘要:
采用粒度为10 μm的纯cBN微粉在不同的高压烧结工艺参数(烧结压力、温度和时间)下制备了纯聚晶立方氮化硼(PCBN)烧结体。利用扫描电镜观察了PCBN烧结体的微结构, 并测试了其耐磨性和抗压强度, 进而讨论了压力、温度和烧结时间对纯PCBN烧结体性能的影响规律。结果表明:对纯PCBN烧结体性能影响最大的因素是烧结压力, 其次是烧结温度和时间; 在本实验条件下, 当压力为9 GPa、温度为1 700 ℃和烧结时间为240 s时, 高压烧结得到的纯PCBN烧结体样品性能最优, 其磨耗比为10 200, 抗压强度为2.52 GPa。
爆速对纳米铝粉爆炸烧结性能的影响
桑圣军, 郭浩哲, 李斌, 王永旭, 王志平, 解立峰
2018, 32(2): 023401. doi: 10.11858/gywlxb.20170581
摘要:
为了掌握纳米金属粉烧结成型技术, 将纳米铝粉置于改良设计的可泄压式爆炸烧结装置中, 得到了密实度达98%以上的纳米铝棒。通过改变铵梯炸药和木粉的比例调节炸药的爆速, 研究了不同爆速下烧结铝棒的性能。利用金相显微镜观察烧结棒的微观结构, 并对烧结棒的密实度、硬度等性能进行测量。结果表明:通过降低爆速可以减小马赫孔的产生, 但爆速过低, 会导致烧结棒的密实度和硬度等性能降低; 当采用爆速为2 158 m/s的炸药时, 可制得无马赫孔、高硬度、高密实度、晶粒细小的均质烧结棒。
爆轰合成氧化亚铁掺杂的二氧化硅包覆铁纳米颗粒
王小红, 孔令杰, 闫鸿浩
2018, 32(2): 023402. doi: 10.11858/gywlxb.20170546
摘要:
用一定比例的硝酸铁盐、硅酸钠盐、无水乙醇与黑索金混合制成塑性炸药。在密闭容器中以氩气为保护气, 通过爆轰合成氧化亚铁掺杂的二氧化硅包覆铁纳米颗粒。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)及振动样品磁强计(VSM)对爆轰产物的组成成分、形态结构以及磁性进行测试。实验结果表明, 爆轰产物以金属颗粒为核、二氧化硅为包覆层的壳/核结构形式出现, 颗粒尺寸在60 nm左右。通过分析爆轰产物的磁性曲线可知, 在室温下爆轰产物具有较高的剩磁比和矫顽力, 表现出弱的铁磁性, 是优良的储磁材料。
高压下物质动态响应
内部爆炸载荷下泡沫铝夹心柱壳动态响应仿真研究
张国栋, 李翔宇, 梁民族, 卢芳云
2018, 32(2): 024101. doi: 10.11858/gywlxb.20170596
摘要:
泡沫铝夹心柱壳在防爆容器领域具有广阔的应用前景。对泡沫铝夹心柱壳在内部爆炸载荷下的动态响应特性进行了实验研究, 并建立了基于Voronoi技术的泡沫铝夹心柱壳有限元模型, 对其动态响应进行了数值模拟。研究结果表明:仿真结果与实验结果吻合较好, 内部爆炸载荷作用下内壳变形量随芯体相对密度增大而减小, 外壳变形量随芯体相对密度的增大而增大, 且壳体变形量与芯体相对密度近似满足二次函数关系。
爆炸深度对浅水爆炸气泡脉动的影响
董琪, 韦灼彬, 唐廷, 张宁
2018, 32(2): 024102. doi: 10.11858/gywlxb.20170580
摘要:
考虑水面和水底的影响, 采用ALE算法构建浅水爆炸全耦合模型, 运用LS-DYNA对不同爆炸深度下的浅水爆炸进行数值模拟, 通过与COLE经验公式对比, 验证了模拟的可靠性。考察了不同爆炸深度下气泡脉动的形态及荷载特性, 并分析了爆炸深度对浅水爆炸气泡脉动的影响。结果表明:随着爆炸深度增大, 气泡脉动受自由面和重力的影响减小, 受静水压力和边界面的影响增大, 气泡收缩时产生的射流方向由向下逐渐转变为向上, 气泡最大半径到达时间和脉动周期亦增大; 比冲量随水深增大而增长的趋势先增强后减弱, 当爆炸深度靠近水底时, 荷载分布基本趋于一致, 但荷载沿传播距离的衰减速度随着爆炸深度增大而变缓; 危险爆炸深度随测量深度增大而增大的趋势先陡后缓, 至趋近水底面后基本不再变化。
有机玻璃-空气层结构对爆炸水池水下爆炸地基振动的影响
汪泉, 汤有富, 李志敏, 宫婕, 程扬帆, 刘上豪, 李成孝
2018, 32(2): 024201. doi: 10.11858/gywlxb.20170611
摘要:
为了研究有机玻璃-空气层结构对水下爆炸振动的影响, 采用NUBOX-6016爆破振动测试仪监测小水池(直径5.5 m、高3.62 m)中该结构下水下爆炸引起的地基振动信号, 研究不同空气层厚度对最大振动速度的影响; 基于Matlab软件编写相关程序对测得的振动信号进行Hilbert-Huang变换(HHT), 分析不同空气层厚度对振动信号全局频率的影响。结果表明:对于有机玻璃-空气层结构, 随着空气层厚度的增加, 最大振动速度呈先减小后增大的趋势, 当空气层厚度为120 mm时隔振效果最佳; 通过对振动信号的HHT分析得到全局频率所对应的幅值, 5~15 Hz低频区间段的幅值衰减较明显, 且振动作用时间缩短, 能够有效防止水下爆炸与建/构筑物之间产生共振现象。所得试验结果及分析对水下爆破工程防护及军事舰艇防雷仓结构设计等具有一定参考价值。
高压科学应用
HNS-Ⅳ炸药的短脉冲冲击起爆判据
郭俊峰, 曾庆轩, 李明愉, 喻青霞
2018, 32(2): 025101. doi: 10.11858/gywlxb.20170582
摘要:
飞片冲击起爆HNS-Ⅳ炸药是直列式传爆序列的重要研究方向。考虑到能量加载方式(一般为电爆炸驱动、微装药驱动和激光驱动)和飞片材料对冲击起爆的影响, 根据文献测量的飞片阈值速度拟合得到了HNS-Ⅳ炸药pnτ和James判据的系数。同时, 利用ANSYS/LS-DYNA程序模拟了铜叠氮化物爆炸驱动飞片冲击起爆HNS-Ⅳ炸药的过程, 并根据数值模拟结果修正了HNS-Ⅳ炸药pnτ和James判据的系数。结果表明, HNS-Ⅳ炸药的pnτ(其中p为压力, τ为脉冲作用时间)判据应该调整为p2.08τ>1.54 GPa2.08·μs(0.001 μs< τ < 0.14 μs, 3.8 GPa <p < 28.0 GPa), James判据应调整为0.215/Σ+0.108/E<1(Σ为比动能, E为能通量)。调整后的起爆判据与数值模拟结果相一致, 并具有更高的实用性。
动能弹对混凝土靶侵彻深度的PSO-SVM预测
潘强, 张继春, 肖清华, 邹新宽, 石洪超
2018, 32(2): 025102. doi: 10.11858/gywlxb.20170577
摘要:
目前混凝土毁伤效应中侵彻深度的预测对防护工程设计与建设有着重要的指导意义, 传统的预测方法存在样本需求量大、预测误差大等问题。根据支持向量机原理, 采用粒子群算法优化模型参数, 提出了预测动能弹侵彻深度的粒子群-支持向量机方法, 并编写了相应的计算程序, 通过援引实测数据验证预测的准确性。结果表明:该方法对于小样本、非线性预测有较大优势, 相比于传统的灰色理论预测, 其预测相对误差较小(最大相对误差为3.18%); 随着训练样本量增多, 最大相对误差逐渐减小, 且变化速率逐渐减缓, 但计算量增大。因此, 粒子群-支持向量机方法用于动能弹侵彻混凝土靶体的深度预测是合理可行的。
大着速范围长杆弹侵彻深度变化及其影响因素的数值模拟
徐晨阳, 张先锋, 刘闯, 邓佳杰, 郑应民
2018, 32(2): 025103. doi: 10.11858/gywlxb.20170592
摘要:
高速/超高速侵彻问题一直是武器设计者和防护工程专家关注的焦点问题之一。随着撞击速度的提高,弹体可能进入流体侵彻阶段,侵彻深度不再随速度的增大单调上升。针对撞击速度增加侵彻深度可能出现增量逆转的现象,开展了大着速范围长杆弹侵彻深度变化的数值模拟研究,分析了弹体硬度、头部形状、弹体材料及靶体材料对侵彻转变点的影响。结果表明:随着长杆弹冲击速度的提升,侵彻深度先上升后下降;同时,弹体硬度提高,到达侵彻转变点对应的撞击速度提高;尖卵形头部弹体到达侵彻转变点的撞击速度比球形头部弹体高;此外,弹靶材料对侵彻深度转变也有较大的影响。
低侵彻性枪弹的入水研究
梁化鹏, 薛建锋, 沈培辉
2018, 32(2): 025104. doi: 10.11858/gywlxb.20170538
摘要:
为提高子弹的低侵彻性,研究了一种空心开花型低侵彻弹。通过进行空心开花型低侵彻弹侵彻水介质的实验,研究了弹体头部在不同速度下的变形情况;利用LS-DYNA软件对开花弹入水过程进行数值模拟,得到子弹在不同入射速度下的速度衰减曲线和位移曲线。研究结果表明:开花弹入水过程中的头部开裂程度与速度有关,速度越高,弹头变形越大;弹头开裂成“花瓣状”可以有效降低子弹速度,增大侵彻阻力;开花弹高速侵彻下的位移小于低速下的位移,说明开花弹具有良好的低侵彻特性。
长径比对侵彻阻力的影响
吴普磊, 李鹏飞, 杨磊, 赵向军, 宋浦
2018, 32(2): 025105. doi: 10.11858/gywlxb.20170631
摘要:
基于经典空腔膨胀理论、Forrestal阻力修正模型和加速度阻力模型研究了战斗部侵彻强度靶过程中长径比对于侵彻阻力的影响,通过对不同长径比条件下战斗部侵彻余速的计算,分析了长径比对阻力项系数的影响,讨论了3种理论的适用范围。结果表明:当战斗部长径比小于3时,加速度阻力项系数变化对侵彻过程影响较大;当长径比大于5时,3个模型的计算结果趋于一致,均适用于工程计算。
楔形装药对射流干扰的数值模拟
周杰, 王凤英, 原诗瑶, 吴鹏
2018, 32(2): 025106. doi: 10.11858/gywlxb.20170566
摘要:
利用ANSYS/LS-DYNA模拟了楔形装药和平板装药对射流的干扰过程,分析了不同楔形角度和装药量对射流的头部速度以及偏转角、杵体速度等数据的影响,并与平板装药的模拟结果对比。结果表明:楔形装甲对射流头部的干扰作用与平板装药相同,但对射流杵体的干扰不同。楔形平板的运动是由板平动和转动组成的二维运动;当楔形角度为正时,楔形装药对射流切割效果较平板装药好,可使射流头部偏转增大,速度减缓,杵体速度减缓,且这种效果随着楔形角度的增加而增加;此外,楔形角度确定后,随着楔形装药量的提高,侵彻位置向楔形上端偏移,接触靶板时间滞后,杵体断裂时间提前,板旋转减弱。
运动状态下聚能战斗部侵彻披挂反应装甲靶板的数值模拟
吴鹏, 李如江, 雷伟, 阮光光, 聂鹏松, 石军磊, 于金升, 周杰
2018, 32(2): 025107. doi: 10.11858/gywlxb.20170604
摘要:
运用LS-DYNA有限元程序模拟了不同横向飞行速度(150、200、300、400、500 m/s)和侵彻角度(30°、45°、60°)情况下聚能战斗部对披挂反应装甲后效靶板的侵彻过程,讨论了射流所受干扰情况及其对后效靶板的侵彻结果。研究结果表明:当侵彻角度一定时,射流对靶板表面的切割长度随速度的增大而增大,且在侵彻角度为30°时增大速率最快;但射流侵彻深度随速度的增大而减小,且在侵彻角度为60°时减小速率最慢。当飞行速度一定时,射流对靶板表面的切割长度和侵彻深度均随侵彻角度的增大而减小,且表面切割长度降幅随速度的增大呈先增大后减小的趋势,在速度为300 m/s时,降幅最大,为59.6%;而侵彻深度降幅随速度的增大呈先减小后增大的趋势,在速度为350 m/s时,降幅最小,为39.3%。最后通过理论方法分析了数值模拟结果,论证了数值模拟方法的正确性。
强点火条件下RP-3航空煤油燃爆特性实验研究
毛浩清, 黄炜超, 李斌, 解立峰
2018, 32(2): 025201. doi: 10.11858/gywlxb.20170583
摘要:
为进一步探究影响RP-3航空煤油燃爆特性参数的因素,在内径为200 mm、高度为5 400 mm的立式激波管中,采用强点火方式,测定了其在不同浓度下的临界起爆能以及不同起爆能量、浓度当量比、喷雾压力下RP-3航空煤油的爆速和爆压。实验结果表明:航空煤油的临界起爆能随浓度当量比的增加先急剧降低,达到最小值后又缓慢上升,基本呈“L”形变化;在喷雾压力为0.20~0.60 MPa、同一浓度条件下,RP-3航空煤油的爆速、爆压随喷雾压力的变化曲线呈倒“U”形;随着起爆能量升高,爆速、爆压均呈直线上升趋势,并且当起爆能量小于1.68 MJ/m2时,煤油未达到直接爆轰状态;燃料的爆速、爆压随浓度当量比的增加先上升后下降,其变化趋势也基本呈倒“U”形。
扰流板结构参数对冲击波衰减特性影响的仿真分析
赵蓓蕾, 赵继广, 崔村燕, 柳宁远, 王岩, 辛腾达, 王亚琦
2018, 32(2): 025202. doi: 10.11858/gywlxb.20170585
摘要:
在坑道内设置扰流板是加速爆炸冲击波衰减的有效方法。为探究扰流板结构参数对冲击波衰减特性的影响,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行仿真研究。基于流固耦合算法,建立Schardin实验等比模型,所得仿真结果与实验结果具有良好的一致性,验证了仿真模型的有效性。以某发射井坑道为研究对象,在矩形扰流板宽度一定的情况下,研究了扰流板厚度、倾角及间距对冲击波衰减规律的影响。结果表明:保持其他参数不变,随着扰流板厚度增加,冲击波超压衰减越来越明显;扰流板厚度为40 cm时,倾角为105°、间距为6 m最有利于冲击波衰减。研究结果可以为坑道防护设计提供有价值的参考。