2020年  34卷  第5期

2020-05期封面
2020, 34(5): 0-0.
摘要:
2020-05期目录
2020, 34(5): 1-2.
摘要:
大科学装置在高压科学中的应用
第四代高能同步辐射光源HEPS及高压相关线站建设
李晓东, 袁清习, 徐伟, 郑黎荣
2020, 34(5): 050101. doi: 10.11858/gywlxb.20200554
摘要:
作为国家重大科技基础设施“十三五”规划重点建设的项目之一,目前,高能同步辐射光源已经在北京怀柔科学城开始建设,项目目标是建设具有极低发射度、重点覆盖高能区(约300 keV)的第四代同步辐射光源。新的高能光源将为科学研究提供光斑更小、亮度更高、相干性更好的X射线探针。同步辐射光源已经帮助科研人员在高压科学研究的诸多领域取得了丰硕的成果。反过来,应高压研究更高的需求,也在促进同步辐射实验技术的不断发展与进步。本文旨在对高能同步辐射光源首批线站中能够开展高压研究的高压光束线站、吸收谱学线站、高分辨谱学线站和显微成像线站的建设方案进行介绍,一方面有助于用户更好地了解相关设施,另一方面也希望结合用户需求完善后续线站的建设工作,共同推进高压学科在同步辐射领域的发展。
上海同步辐射光源高压相关线站概述
杨科, 蒋升, 闫帅, 周春银, 李爱国
2020, 34(5): 050102. doi: 10.11858/gywlxb.20200584
摘要:
同步辐射X射线与基于金刚石对顶砧(DAC)和大体积压机(LVP)的静高压技术的结合推动了高压科学的发展。上海同步辐射光源(SSRF)是性能指标达到世界一流的中能第三代同步辐射光源,其中的硬X射线微聚焦及应用光束线站(BL15U1)具备高通量、能量可调的单色微束X射线,空间分辨达到微米至亚微米量级,在开展DAC高压研究方面有相当大的优势。自2010年对从事高压科学研究的用户开放以来,国内外高压科学研究者综合利用BL15U1线站高压实验方法取得了一系列有影响力的成果。此外,在建的上海光源二期线站工程中的超硬多功能线站(BL12SW)中配备200 t和2 000 t大压机,将成为开展LVP原位高压实验的有力平台。为促进用户对SSRF高压研究相关线站的了解,更好地利用相关平台开展研究工作,并为后续线站建设和实验方法发展提出宝贵建议,本文对BL15U1和BL12SW线站的布局、性能指标、实验站主要设施以及相关实验方法等进行了较为完整的介绍。
同步辐射高压衍射技术
刘景
2020, 34(5): 050103. doi: 10.11858/gywlxb.20200586
摘要:
同步辐射光源具有宽光谱、高亮度、高准直等优异性能,被广泛地用于高压科学研究。在依托同步辐射光源所发展的诸多高压研究手段中,X射线衍射是最基本的也是应用最多的实验技术之一。本文简单介绍了同步辐射光的独特性能和光源的基本构成,以及同步辐射光束线和实验站的基本概念。针对基于金刚石对顶砧(DAC)的高压X射线衍射技术,阐述了多种测试方法的原理和应用,包括粉末衍射、单晶衍射、多晶衍射、径向衍射、激光加温衍射以及快速加载衍射等。对北京同步辐射装置(BSRF)4W2高压衍射线站所提供的同步辐射光品质、X射线微聚焦能力、多种衍射方法以及新近发展的实验技术进行了较详细的描述,并展望了高能同步辐射光源(HEPS)的建设给高压科学研究带来的机遇。
CMRR中子科学平台的高压中子衍射技术及应用
房雷鸣, 陈喜平, 谢雷, 贺端威, 胡启威, 李欣, 江明全, 孙光爱, 陈波, 彭述明, 李昊, 韩铁鑫
2020, 34(5): 050104. doi: 10.11858/gywlxb.20200588
摘要:
中国绵阳研究堆(CMRR)建有一台专门的高压中子衍射谱仪(凤凰),用于高压科学研究。对聚焦单色器和导管升级后,凤凰谱仪的束流通量大幅度提高。基于凤凰谱仪,建立并发展了一系列高压中子技术,包括:气体压腔、活塞圆筒型压腔、紧固型压腔、标准巴黎-爱丁堡压机(VX4型)、带加热和水冷系统的两面顶压机(HP3-1500)、及压机的调节与定位系统。通过对高温高压样品腔体组装的优化设计,原位中子衍射的温度和压力最高达到34 GPa和1500 ℃。建立的高压中子衍射技术已成功应用于高压溶解度测量、含能材料结构表征、高压聚合反应等方面的研究。
高压物性与结构
高温高压下花岗岩部分熔融时的电导率
王双杰, 易丽, 王多君, 申珂玮, 韩珂楠
2020, 34(5): 051201. doi: 10.11858/gywlxb.20200502
摘要:
大地电磁测深结果显示青藏高原中上地壳存在高导层,而花岗岩是地壳岩石的主要组成部分,在地壳演化过程中发挥着重要作用。在高温高压下开展花岗岩部分熔融时电导率实验对认识青藏高原地壳电性结构及地壳演化过程具有重要意义。在0.5~2.0 GPa压力、773~1 373 K温度条件下测量花岗岩的电导率。实验结果表明:在温度为773~1 223 K时,样品的活化焓为1.01~1.09 eV;在温度为1 223~1 373 K时,样品的活化焓为2.16~2.97 eV。不同温度段内活化焓的变化可能与花岗岩样品中黑云母的脱水熔融有关,推断花岗岩部分熔融时导电机制为离子导电,Na+起主导作用。将实验测得的电导率与西藏高导层地壳温度背景结合发现:在973~1 223 K范围内实验电导率值在0.016~0.310 S/m范围内,与大地电磁测深数据吻合较好,表明西藏地壳高导层的成因与花岗岩部分熔融关系较为密切。
RDX单晶炸药的冲击-斜波加载实验研究
种涛, 莫建军, 蔡进涛, 王桂吉
2020, 34(5): 051301. doi: 10.11858/gywlxb.20200529
摘要:
基于磁驱动加载装置CQ-4,完成了冲击-斜波复杂加载实验设计,开展了RDX单晶(210)、(100)两个晶向在不同加载压力下的冲击-斜波压缩实验,获得了RDX单晶样品与LiF窗口界面的速度历史曲线和纵波声速。实验结果显示:速度波剖面可分为冲击压缩、斜波压缩和卸载3部分;当冲击压力较高时,冲击压缩段中不再出现弹塑性转变以及4 GPa附近相变的速度特征波形;当冲击压力较低时,在冲击压缩段观测到了弹-黏塑性波形。
商业纯钛自加热高压热处理的力学性能
任玉铎, 张洋, 罗坤
2020, 34(5): 051302. doi: 10.11858/gywlxb.20190846
摘要:
研究了压力对商业纯钛(CPTi)淬火过程的影响。分别制备了退火、水淬及高压处理样品用于比较,分析了相组成和显微组织,并测量了显微硬度。结果表明:高压淬火处理后,样品组织均为Ti马氏体;随着压力的增加,晶粒生长被抑制,显微硬度增加。与常压水淬样品相比,在低压处理后样品硬度没有显著升高。为了研究高压处理后样品的拉伸性能,对采用自加热方式的高温高压处理样品进行了拉伸试验。研究表明,处理后样品强度有所提高,并且延展性良好,接近原始样品。
高压理论与计算
高温高压气井连续管在CO2环境中的电化学腐蚀数值模拟
刘元亮, 刘少胡, 马卫国
2020, 34(5): 052401. doi: 10.11858/gywlxb.20200535
摘要:
针对高温高压气井中连续管在含CO2地层极易腐蚀、开裂等问题,调研了腐蚀失效情况,分析其腐蚀失效机理。应用COMSOL多物理场耦合分析方法,建立连续管在CO2环境中的电化学腐蚀数值模型,分析环境因素对腐蚀速率的影响规律。结果表明:实验腐蚀速率和数值模拟腐蚀速率的最小误差为1.3%;CO2分压分别为0.1、0.5和1.0 MPa时,连续管腐蚀速率达到峰值时的温度分别为120、90和60 ℃;当CO2分压为0.1 MPa、电解质溶液电导率为2.86、pH值较小时,连续管的腐蚀速率最大。该研究为CO2腐蚀环境下连续管的安全使用提供了建议。
新材料合成
高导热金刚石/铝复合材料的高温高压制备
侯领, 沈维霞, 房超, 张壮飞, 张跃文, 王倩倩, 陈良超, 贾晓鹏
2020, 34(5): 053101. doi: 10.11858/gywlxb.20200514
摘要:
以纯铝为基体,使用体积分数为50%的200 μm镀钛金刚石为填充材料,利用高温高压粉末冶金法在压力3 GPa、温度700 ℃条件下烧结10 min得到热导率为529 W/(m·K)的高导热金刚石/铝复合材料。通过光学显微镜和X射线衍射对镀钛金刚石的形貌和物性进行表征,并利用激光导热仪、扫描电镜和热膨胀仪对制备的金刚石/铝复合材料进行性能测试。研究发现,使用放电等离子体烧结制备的镀钛金刚石镀层成分主要是单质钛,并伴有少量碳化钛生成。通过对比在相同制备条件下没有经过镀覆处理的金刚石发现,使用镀钛金刚石能够有效提高金刚石/铝复合材料的热导率。同时,高温高压法能够制备全密度的金刚石/铝复合材料,有效提高铝基体与金刚石的界面结合,减少界面空隙,进而有效提高复合材料的热导率。相比真空热压、放电等离子体烧结、气压熔渗等常规方式,高温高压粉末冶金制备方式具有样品制备周期短(数分钟)的特点。此项研究有助于拓宽高导热复合材料的制备方式,同时能够扩大国内六面顶压机的产品种类,为其他金属基体导热复合材料的制备提供技术支持。
高压下物质的动态响应
中空钢化夹层玻璃的动态响应
张英杰, 姚芬, 刘姗姗, 韩阳, 李志强
2020, 34(5): 054101. doi: 10.11858/gywlxb.20200513
摘要:
利用DHR-9401型落锤冲击试验机,结合最小碎裂能方法,研究了中空钢化夹层玻璃的厚度、结构配置对其抗冲击性能的影响,并从冲击力载荷峰值、能量吸收率、应变等方面对影响效应进行评估。实验结果表明:玻璃作为日常生活中的承载结构,其厚度和结构配置对性能有很大影响,在控制试样总厚度相同或不同的前提下,随着冲击层厚度的增加,中空钢化夹层玻璃的抗冲击性能明显提高;在试样总厚度不同的前提下,随着内层玻璃厚度的增加,中空钢化夹层玻璃的承载能力显著提高。
类向日葵夹芯圆柱壳径向冲击数值模拟
闫栋, 王根伟, 宋辉, 王彬
2020, 34(5): 054201. doi: 10.11858/gywlxb.20190858
摘要:
金属薄壁结构由于其优异的轻质性和耐撞性,一直被广泛地应用在汽车、飞机和火车等交通工具的碰撞动能耗散系统中。以一种类向日葵薄壁夹芯吸能结构为研究对象,研究了在瓣尖压和瓣间压两种径向冲击载荷下,类向日葵薄壁夹芯结构的变形模式、能量吸收能力、比吸能和平均压缩力。结果表明,类向日葵薄壁夹芯结构的壁厚、花瓣数、加载速度以及加载方向都会对结构的耐撞性产生一定的影响。在质量恒定条件下,随着外壳厚度的增加,瓣尖压冲击方式下薄壁结构的吸能效率降低,瓣间压比瓣尖压的比吸能最高多出了44.6%。随着花瓣数的变化,金属薄壁结构的吸能效率存在一个最优值。
孔洞排布对PMMA多孔材料冲击响应行为的影响
罗国强, 费细欢, 喻寅, 张睿智, 张成成, 沈强
2020, 34(5): 054202. doi: 10.11858/gywlxb.20200542
摘要:
多孔材料具有轻质、缓冲减震、吸能等特点,在加载路径调控、爆炸或冲击防护领域具有广泛的应用前景。采用格点-弹簧模型(离散元方法),模拟多种孔洞排布方式的PMMA多孔材料在冲击加载过程中的早期孔洞塌缩破坏、应力分布与粒子速度等冲击响应行为。结果表明:在冲击加载过程中,裂纹萌发于孔洞侧向(垂直于冲击波方向)附近区域,孔洞破坏形式以剪切断裂为主;在不同的孔洞排列模型中,孔洞与孔洞之间均存在剪切裂纹相互贯通现象,促进孔洞体积压缩致密化,且孔洞排列方式不影响冲击波传播速度;四角点阵模型有效减缓孔洞附近区域的应力集中;四角点阵、三角点阵、锥形递减排列、锥形递增排列模型都显著影响PMMA多孔材料的冲击波阵面平整性;孔洞的随机排列模型对降低粒子速度最有效,四角点阵排列模型对降低波阵面后压力贡献最大。
冲击荷载对无烟煤微观孔隙影响的分形研究
王以贤, 梁为民
2020, 34(5): 054203. doi: 10.11858/gywlxb.20200528
摘要:
为了揭示冲击荷载对无烟煤微观孔隙结构的影响规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击实验系统模拟了冲击应力在不同衰减过程中的冲击波和应力波,基于冲击前后压汞实验及低温液氮实验测试数据,运用分形理论,研究了赵固二矿不同方向煤体(与层理方向分别呈垂直、平行、45°斜交)冲击前后孔隙结构的分形特征。结果表明:对于渗流孔,冲击荷载提高了瓦斯的渗流与运移速度,对于吸附孔,冲击荷载减小了吸附孔的吸附能力,促进了瓦斯的解吸;分形维数具有明显的冲击方向性,且吸附孔的分形维数明显小于渗流孔;不同方向无烟煤的最佳冲击荷载不同,垂直和斜交层理方向的最佳冲击荷载为51.80 MPa,平行层理方向的最佳冲击荷载为28.46 MPa。研究结果可为冲击荷载促进瓦斯抽采机理的探讨提供参考。
金属材料试件在压缩、扭转、拉伸断裂过程中的应力状态变化及表征
伍星星, 刘建湖, 孟利平, 王海坤, 汪俊
2020, 34(5): 054204. doi: 10.11858/gywlxb.20200517
摘要:
为更好地拟合断裂准则(JC、BW、MMC)参数,借助数值模拟手段,对Q345B和921A钢的压缩、扭转、拉伸试件的断裂过程进行了模拟,以应力三轴度、Lode参数作为衡量应力状态变化的重要指标,分析了两种金属材料断裂过程中试件典型位置的变化过程及断裂时刻试件的径向分布趋势,对比分析了Q345B和921A钢的不同类型试件在不同应力三轴度、不同Lode参数表征下的结果。计算结果表明:(1)除扭转试件外,压缩、拉伸试件在断裂过程中的应力状态不断发生变化,试件断裂时刻端口剖面的应力状态分布也不一致;(2)试件断裂过程是一个应力状态不断变化的过程,采用平均应力三轴度、平均Lode参数进行描述更加妥当;(3)对于同一尺寸的拉伸试件,不同金属材料断裂过程中的平均应力三轴度不尽相同。研究成果可为后续断裂准则(JC、BW、MMC)参数的拟合及材料断裂力学性能试验的开展提供指导。
高压科学应用
小钨球对防弹衣加松木靶的侵彻研究
唐昌州, 智小琦, 徐锦波, 陈志斌
2020, 34(5): 055101. doi: 10.11858/gywlxb.20200506
摘要:
为获得小钨球对防弹衣加人体等效靶的侵彻性能,对小钨球侵彻Ⅲ级软体防弹衣加25 mm厚红松靶进行了试验研究。在此基础上,结合小钨球侵彻LY-12硬铝靶试验与数值模拟,研究了LY-12硬铝靶与Ⅲ级软体防弹衣加25 mm厚红松靶之间的等效关系,并通过量纲分析方法建立了小钨球侵彻Ⅲ级软体防弹衣加25 mm厚红松靶的弹道极限预测公式,分析了小钨球质量变化对其侵彻性能影响的规律。结果表明:对于小钨球的侵彻,Ⅲ级软体防弹衣加25 mm厚红松靶可等效为6.2 mm厚LY-12硬铝靶;弹道极限预测公式的预测值与试验值吻合良好,并且随着钨球质量的增加,弹道极限近似服从幂函数递减规律。研究结果对单兵破片战斗部的改进设计具有一定的参考价值。
金属丝网对甲烷/空气爆燃火焰传播特性的影响
孙玮康, 陈先锋, 冯梦梦, 黄楚原, 刘静, 赵齐, 智雪珂
2020, 34(5): 055201. doi: 10.11858/gywlxb.20200536
摘要:
在自主设计的方形管道中开展了金属丝网对甲烷/空气预混气体爆燃火焰传播特性影响的实验,通过改变金属丝网的目数和层数,探讨其对爆燃火焰超压和温度的影响。结果表明:金属丝网能有效抑制爆燃火焰的超压与温度,安装金属丝网后,管道内测得的超压峰值与温度峰值相较于无金属丝网均出现降低,温度峰值衰减率最高达到52.37%,超压峰值衰减率最高达到66.84%;金属丝网的目数和层数是影响金属丝网对超压抑制效果的重要因素,层数与目数较小时,达到超压峰值的时间相较于无金属丝网时提前,层数与目数适中时,超压曲线出现二次峰值现象,层数与目数较大时,超压能得到有效抑制;随着目数与层数的增加,火焰热量向前扩散速度变慢,温度曲线起始时间相较于无金属丝网时延后。
具有梯度型刚度折叠收缩管的吸能性能
陈伟东, 门恒, 田晓耕
2020, 34(5): 055301. doi: 10.11858/gywlxb.20190873
摘要:
薄壁管是一种常见的吸能结构,在薄壁管中引入折纹可以诱导薄壁管发生变形,有效降低薄壁管屈曲的初始峰值力并提高其能量吸收。目前,大部分折纹管受到轴向压缩时,初始峰值力后的压溃力下降显著,降低了折纹管的吸能性能。为有效提高折纹管的吸能性能,并降低折纹管的初始峰值力,在方管中引入不同形式的折纹得到折叠收缩管,利用ABAQUS/Explicit模拟设计折叠收缩管的准静态压缩,得到其变形及力与位移曲线。结果显示,与传统方管和菱形折纹管相比,折叠收缩管的初始峰值力显著降低,且压溃力随着压缩距离的增加呈梯度上升趋势,大幅提升了薄壁管的能量吸收性能。另外,系统研究了折叠收缩管的几何参数对其性能的影响,获得了性能优异的折纹管。
瞬时弹射式蒸汽爆破处理生物质的能量模型及能耗理论分析
任天宝, 高卫锴, 苏同福, 于正道, 袁杭州, 徐桂转, 宋安东, 张百良
2020, 34(5): 055901. doi: 10.11858/gywlxb.20200532
摘要:
在生物质资源化利用领域,蒸汽爆破技术是打破生物质抗降解屏障、实现生物炼制的关键技术途径,具有清洁、短时和高效的显著特点。针对生物质蒸汽爆破过程中能量消耗和能量平衡问题,基于传热学基本原理,对生物质蒸汽爆破过程中的能量组成和转化进行了分析,建立了生物质蒸汽爆破能耗模型,阐明了蒸汽爆破过程中蒸汽热能转换机械功,并利用能量模型对影响生物质蒸汽爆破预处理能耗因素进行能耗分析。结果表明:该模型可以较为准确地反映物质蒸汽爆破过程中的热能利用和转化过程,能够定量分析生物质蒸汽爆破过程中物料含水率、蒸汽爆破强度和装料量的能耗变化规律。研究结果为蒸汽爆破技术的生物液体燃料或生物炼制产业化应用提供了理论参考。