电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究

王刚华 王桂吉 阚明先 张红平 孙承纬 赵剑衡 谭福利

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电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究

    作者简介: 王刚华(1976—), 男,博士,副研究员,主要从事磁流体力学模拟研究.E-mail:wanggh@caep.cn;
    通讯作者: 王桂吉, wangguiji@126.com
  • 中图分类号: TN249;O521

Magnetically Driven Isentropic Compression of 45 Steel

    Corresponding author: WANG Gui-Ji, wangguiji@126.com ;
  • CLC number: TN249;O521

  • 摘要: 在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点。利用中物院流体物理研究所建成的磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5(最高加载压力为50 GPa), 成功开展了45钢的准等熵压缩实验,对装置的主要参数进行了介绍;利用激光干涉测试系统DPS获得了45钢飞片的自由面速度历史,通过反积分处理给出了材料准等熵压缩的p-V关系。通过分析实验数据,获得了45钢3种形式的等熵方程的参数。实验获得的最高等熵压力为47.5 GPa。
  • 图 1  小型磁驱动准等熵压缩和驱动飞片实验装置CQ-1.5结构示意图

    Figure 1.  Schematic of small magnetically driven quasi-isentropic compression and flyer- driving experimental device CQ-1.5

    图 2  DPS记录的样品自由面速度历史

    Figure 2.  DPS records of free surface velocity of 45 steel samples

    图 3  实验获得的样品加载面处的压力历史

    Figure 3.  Pressure history of samples at the loading surface

    图 4  实验得到的准等熵压缩线与Hugoniot线比较

    Figure 4.  Comparison of the experimental quasi-isentropic compression curve with Hugoniot curve

    表 1  实验得到的45钢准等熵压缩方程参数

    Table 1.  Parameters of quasi-isentropic compression equation of 45 steel determined by experiment

    Isentropic
    equation
    Equation form pmax/
    (GPa)
    Parameters
    Birch $\begin{aligned} p(V)=& \frac{3}{2} B_{0}\left[\left(\frac{V_{0}}{V}\right)^{\frac{7}{3}}-\left(\frac{V_{0}}{V}\right)^{\frac{5}{3}}\right] \times \\ &\left\{1-\xi\left[\left(\frac{V_{0}}{V}\right)^{\frac{2}{3}}-1\right]\right\} \end{aligned}$ 41 ξ=0.5, B0=65.4 GPa
    Hugoniot $p=p_{0}+\frac{\rho_{0} c_{0}^{2}\left(1-\frac{V}{V_{0}}\right)}{\left[1-\lambda\left(1-\frac{V}{V_{0}}\right)\right]^{2}}$ 41 c0=3 104 m/s, λ=2.495
    Polynomial $p=\sum\limits_{j=1}^{m} B_{j}\left(\frac{V_{0}}{V}-1\right)^{j}, m=1,2,3, \cdots$ 41 B1=37 GPa, B2=110 GPa, B3=5 100 GPa
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-09-10
  • 录用日期:  2013-03-15
  • 刊出日期:  2014-12-15

电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究

    作者简介:王刚华(1976—), 男,博士,副研究员,主要从事磁流体力学模拟研究.E-mail:wanggh@caep.cn
    通讯作者: 王桂吉, wangguiji@126.com
  • 中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳 621999

摘要: 在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点。利用中物院流体物理研究所建成的磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5(最高加载压力为50 GPa), 成功开展了45钢的准等熵压缩实验,对装置的主要参数进行了介绍;利用激光干涉测试系统DPS获得了45钢飞片的自由面速度历史,通过反积分处理给出了材料准等熵压缩的p-V关系。通过分析实验数据,获得了45钢3种形式的等熵方程的参数。实验获得的最高等熵压力为47.5 GPa。

English Abstract

    • 等熵压缩是研究材料偏离Hugoniot(off-Hugoniot)性质的一种重要加载手段, 其实验材料的温升较小、压缩程度较高, 对于高能量密度物理和武器物理的基础研究有重要意义。等熵压缩是一个压力缓慢变化的过程, 加载速率较低, 靶内温升较小, 材料的物理力学参量的变化主要由压力因素决定。因此, 对材料进行等熵压缩, 基本上可以解耦温度和压力因素对相关物理力学参量的影响, 是深入细致地研究材料在动载荷下的响应特性、高压物态方程、高压本构方程和高压物性的重要技术手段[1-2]

      在已有的众多准等熵加载技术中, 磁驱动准等熵加载技术既能将样品材料压缩到较高的压力水平, 又能保持较高的等熵程度, 具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点[3]。目前, 磁驱动准等熵加载技术能达到数百吉帕的等熵压力, 已成为国外各个核武器物理实验室的研究前沿和热点[4-5], 在武器相关材料性质和数据库的精密研究方面有广阔的应用前景。

      本工作利用流体物理研究所的CQ-1.5装置, 对45钢进行磁驱动准等熵加载实验, 使用激光干涉测试技术测量飞片自由面速度, 通过反积分数据处理方法推算45钢的等熵压缩线参数。

    • CQ-1.5是放电电流上升时间为500 ns、峰值1.5 MA左右的小型脉冲功率装置(见图 1)[6], 装置设计的峰值加载电压为50 GPa, 利用电容器储能, 电流通过平行板传输线和爆炸开关流向负载。该装置由4台低电感(≤25 nH)脉冲型储能电容器并联供电, 每台电容器的额定电压为80 kV, 额定储能12.8 kJ。装置通过一个4点导通爆炸逻辑网络开关向负载放电, 开关的响应时间可控制在55 ns以内, 而放电电流的上升时间一般为500 ns左右, 故该响应时间对装置的放电电流曲线影响很小, 同步性满足要求。装置的能量传输采用平行板传输线, 与同轴结构的传输线相比, 该传输结构更能确保较低的电感, 并且便于与负载连接。

      图  1  小型磁驱动准等熵压缩和驱动飞片实验装置CQ-1.5结构示意图

      Figure 1.  Schematic of small magnetically driven quasi-isentropic compression and flyer- driving experimental device CQ-1.5

    • 速度测量技术是准等熵压缩实验中最为关键的测试技术。由于测试样品一般比较薄, 只有0.4~2.5 mm, 传统的电探针或内嵌式拉格朗日量计难以应用, 且容易产生电磁干扰, 故通常采用无接触的光测技术对样品自由面或者样品/窗口界面进行测量。

      目前, 激光干涉测试仪器有2类:(1)位移激光干涉仪, 例如全光纤位移干涉仪[7]; (2)速度激光干涉仪, 例如基于多普勒效应的任意反射面速度干涉仪(Velocity Interferometer for Any Reflector, VISAR)[8]、法布里-珀罗(F-P)干涉仪[9]。在磁驱动准等熵压缩实验中, 采用中国工程物理研究院流体物理研究所自行研制的多普勒探针干涉仪(Doppler Pins System, DPS)[10], 它属于全光纤位移激光干涉仪, 其性能指标已达到国际先进水平。

      DPS是一种有源光纤探针激光位移干涉仪, 其基本工作原理是利用光纤传输激光照射运动靶面, 接收携带多普勒频移的反射光, 与光纤端面反射的光束形成干涉, 或直接与光源引出的参考光混频, 从而检测出代表靶面运动的多普勒频移信号。根据干涉条纹信号出现的时刻和频率变化历史可以得知样品的起始运动时刻和运动速度剖面。采用光纤分束器将激光分至多个光纤探头, 可实现多点测量。

      DPS对被测表面位移的改变具有较高灵敏度, 非常适合低压条件下对激波到达时间的精确测量, 其时间分辨能力达纳秒级, 测试精度为1%~2%, 具有时间响应快、信噪比高、体积小巧等优点, 非常适合磁驱动实验中样品区空间小的场合。

    • 进行两次准等熵压缩实验, 分别采用厚度为1.98、2.3 mm和1.98、2.46 mm的45钢平行样品对。DPS的实验测量结果如图 2所示, 4个样品的自由面速度历史呈现出较明显的弹性前驱波, 整个过程没有出现冲击现象。

      图  2  DPS记录的样品自由面速度历史

      Figure 2.  DPS records of free surface velocity of 45 steel samples

      实验获得了样品材料自由面的速度历史, 为了得到样品的等熵压缩线, 可以采用反积分方法进行计算处理[11]。与一般流体力学计算中对流体力学方程组进行空间离散、再进行时间推进计算不同, 采用Hayes提出的反积分方法, 先对流体力学方程组进行时间离散, 然后将DPS测量得到的样品后自由面的速度历史作为输入数据, 再进行空间反演计算, 通过调整等熵方程参数使样品对在加载面处的压力历史一致, 从而得到样品材料的等熵压缩线(见图 3)。图 3中, 等熵线位于Hugoniot线下方。

      图  3  实验获得的样品加载面处的压力历史

      Figure 3.  Pressure history of samples at the loading surface

      在对本实验结果进行反积分处理时, 考虑了3种形式的等熵方程, 表 1列出了这3种等熵方程表达式及相应参数。图 4所示为得到的加载面处的压力历史, 重合度不够好的原因可能是没有考虑弹性前驱波的影响, 因此本实验的精度和数据处理方法还有待提高。两次实验获得的最高等熵压力分别为41.0和47.5 GPa。

      Isentropic
      equation
      Equation form pmax/
      (GPa)
      Parameters
      Birch $\begin{aligned} p(V)=& \frac{3}{2} B_{0}\left[\left(\frac{V_{0}}{V}\right)^{\frac{7}{3}}-\left(\frac{V_{0}}{V}\right)^{\frac{5}{3}}\right] \times \\ &\left\{1-\xi\left[\left(\frac{V_{0}}{V}\right)^{\frac{2}{3}}-1\right]\right\} \end{aligned}$ 41 ξ=0.5, B0=65.4 GPa
      Hugoniot $p=p_{0}+\frac{\rho_{0} c_{0}^{2}\left(1-\frac{V}{V_{0}}\right)}{\left[1-\lambda\left(1-\frac{V}{V_{0}}\right)\right]^{2}}$ 41 c0=3 104 m/s, λ=2.495
      Polynomial $p=\sum\limits_{j=1}^{m} B_{j}\left(\frac{V_{0}}{V}-1\right)^{j}, m=1,2,3, \cdots$ 41 B1=37 GPa, B2=110 GPa, B3=5 100 GPa

      表 1  实验得到的45钢准等熵压缩方程参数

      Table 1.  Parameters of quasi-isentropic compression equation of 45 steel determined by experiment

      图  4  实验得到的准等熵压缩线与Hugoniot线比较

      Figure 4.  Comparison of the experimental quasi-isentropic compression curve with Hugoniot curve

    • 利用磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5成功开展了45钢的准等熵压缩实验, 利用激光干涉测试仪器DPS获得了两发实验4个样品的自由面速度历史, 实验中没有产生冲击现象, 证实利用磁驱动获取材料的等熵压缩线是可行的。利用反积分方法处理实验数据, 得到了45钢材料3种形式的准等熵压缩的p-V关系参数, 等熵压力最大值为47.5 GPa。实验中产生了明显的弹性前驱波, 然而数据处理时没有考虑其影响, 使数据处理的精度受到影响, 故还需进一步优化数据处理方法。

参考文献 (11)

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