冲击载荷下K9玻璃的光学特性

胡昌明 李雪梅 彭建祥 张祖根 靳开诚 王翔 蔡灵仓 刘仓理

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冲击载荷下K9玻璃的光学特性

    作者简介: 胡昌明(1974—),男,博士,副研究员,主要从事材料本构关系和材料损伤断裂方面的研究.E-mail:cmhu@caep.cn;
    通讯作者: 王翔, xiangwang102@126.com
  • 基金项目: 中国工程物理研究院科学技术发展基金 2015B0101006
    国家自然科学基金 10802080

  • 中图分类号: O521.2

Optical Properties of K9 Glass under Shock Loading

    Corresponding author: WANG Xiang, xiangwang102@126.com ;
  • CLC number: O521.2

  • 摘要: K9玻璃常作为冲击载荷下失效波(破坏波)萌生机制和脆性材料动态断裂特性的研究对象,而当作为冲击窗口材料时,由于冲击压力范围限制,其光学特性研究常被忽略。通过平板撞击实验,结合激光多普勒测速系统(DPS:Doppler Pin System, 激光波长为1 550 nm),获得了冲击波传播过程中不同光学测试界面运动的速度历史。通过分析原始干涉信号和界面速度剖面的时间对应关系,获得了K9玻璃保持冲击透明性及弹性响应的压力范围。研究结果表明,当冲击压力低于8 GPa时,K9玻璃能保持良好的光学透明性,其动态折射率随密度的变化呈典型线性关系。
  • 图 1  平板撞击实验示意图

    Figure 1.  Schematic of planar impact test

    图 2  x-tv-t示意图(S:冲击波,R:稀疏波)

    Figure 2.  Sketch of x-t and v-t

    图 3  典型的原始干涉条纹信号及测试界面粒子速度

    Figure 3.  DPS original interference signals and impact interface velocity

    图 4  利用碰撞面测得的典型速度剖面

    Figure 4.  Velocity of impact interface

    图 5  K9玻璃的弹性us-up关系

    Figure 5.  Relation between us and up of K9 glass

    图 6  K9玻璃的速度修正Δu-up关系

    Figure 6.  Δu-up revision relation of K9 glass

    图 7  K9玻璃折射率η随密度ρ的变化关系

    Figure 7.  Relation between η and ρ of K9 glass

    表 1  折射率计算参数

    Table 1.  Refractive index calculation parameter

    Exp. No. Wf/(km/s) p/(GPa) D/(km/s) ρ/(g/cm3) um/(km/s) η um/up
    Shot 416 0.317 6 2.37 5.929 2.589 35 0.176 7 1.527 92 1.112 7
    Shot 826 0.416 9 3.15 6.004 2.610 61 0.233 5 1.534 40 1.120 7
    Shot 422 0.529 8 3.92 5.871 2.639 08 0.295 2 1.535 82 1.114 4
    Shot 507 0.701 6 5.23 5.917 2.678 82 0.391 5 1.542 06 1.116 0
    Shot 702 0.904 4 6.67 5.854 2.730 96 0.503 3 1.550 60 1.113 0
    Shot 827 0.953 8 7.19 5.983 2.738 31 0.531 0 1.555 20 1.113 7
    Shot 418 1.060 0 8.01 6.000 2.764 17 0.582 1 1.557 35 1.098 3
    Shot 927 1.192 0 8.96 5.966 2.799 69 0.666 0 1.561 20 1.117 4
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-10-10
  • 录用日期:  2017-02-18
  • 刊出日期:  2017-10-25

冲击载荷下K9玻璃的光学特性

    作者简介:胡昌明(1974—),男,博士,副研究员,主要从事材料本构关系和材料损伤断裂方面的研究.E-mail:cmhu@caep.cn
    通讯作者: 王翔, xiangwang102@126.com
  • 中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳 621999
基金项目:  中国工程物理研究院科学技术发展基金 2015B0101006国家自然科学基金 10802080

摘要: K9玻璃常作为冲击载荷下失效波(破坏波)萌生机制和脆性材料动态断裂特性的研究对象,而当作为冲击窗口材料时,由于冲击压力范围限制,其光学特性研究常被忽略。通过平板撞击实验,结合激光多普勒测速系统(DPS:Doppler Pin System, 激光波长为1 550 nm),获得了冲击波传播过程中不同光学测试界面运动的速度历史。通过分析原始干涉信号和界面速度剖面的时间对应关系,获得了K9玻璃保持冲击透明性及弹性响应的压力范围。研究结果表明,当冲击压力低于8 GPa时,K9玻璃能保持良好的光学透明性,其动态折射率随密度的变化呈典型线性关系。

English Abstract

    • 加窗技术是平面冲击波物理实验研究的重要方法之一,通过在待测样品界面贴接阻抗匹配的透明材料,作为光学测试界面的窗口材料[1-2],获得材料的内部/表面温度、界面粒子速度等等物理信息,是冲击加载下材料物性常用的实验研究方法。在冲击波加载的物理实验研究中,针对不同研究对象和冲击压力,由于窗口材料的力学和光学特性的差异,加窗技术中窗口材料的选择会存在差异,需要考虑冲击波作用下样品和窗口之间的阻抗匹配及动高压下材料的冲击透明特性,常用的窗口材料主要包括氟化锂(LiF)[3-4]、Z-切石英[5]、蓝宝石[6]和熔石英[7]等。

      K9玻璃是一种无色、透明的光学冕玻璃,与国外BK7、BSC7玻璃牌号化学成分基本相同。该玻璃具有良好的光学性质,表现为材料均匀性好,光谱透过范围宽(330~2 300 nm),且价格便宜、易于加工,在工业界被广泛作为透镜等精密光学器件。在冲击波物理研究领域,K9玻璃是脆性材料中失效波产生机理[8-10]、材料的动态断裂及激光与物质相互作用等科学问题的主要研究对象[11]之一。而该材料作为冲击波物理加窗实验研究中的窗口材料,相应的文献报道较少。研究结果表明,冲击波在窗口材料中传播过程中,将导致材料密度变化,从而改变光在该介质中的传播特性及折射率。在加窗平面冲击实验研究过程中,冲击压力对窗口材料的折射率影响存在差异,需要通过折射率修正才能获得界面原位粒子速度等相关物理信息。Barker[12]在1968年首次提出选用透明材料作为速度干涉仪窗口,Johnson等[13]用熔石英玻璃作窗口测量了窗口和铝之间的界面运动速度,指出了加窗的优点是可以使入射应力波大部分直接传到窗口内,尤其在窗口与样品的冲击阻抗相匹配时,大大减少冲击波在样品表面的反射,可更好地研究材料的冲击压缩等物理和力学特性。但该方法由于应力波的传播会引起窗口折射率的改变,导致窗口中光速的变化,在测试信号上带来附加多普勒频移。针对一定激光波长的DPS测试技术,Barker等[7]采用加上窗口后干涉条纹的频率变化量Δν与不加窗时干涉条纹的频率ν0之比Δν/ν0,来表征窗口折射率变化引入的附加多普勒效应大小,通过折射率修正获得真实界面的运动速度。因此,冲击载荷下窗口材料折射率的变化是冲击波物理实验及诊断技术非常关心的材料特性,与这方面相关的研究工作较多[14-20]。然而,国内外有关K9玻璃作为光学测试窗口材料的研究报道较少。

      本研究利用平板实验,采用对称碰撞方式,结合DPS测试系统,通过对飞片/样品碰撞界面粒子速度的测量和分析,研究了K9玻璃在9 GPa内的动态折射率变化及弹性响应特性。

    • 利用Ø37 mm口径火炮加载装置,采用平面对称碰撞方式,即飞片和样品均采用K9玻璃,进行了8发不同碰撞速度下的平板实验,实验装置示意图见图 1。测试方法采用DPS测试技术[21],在确保无边侧稀疏影响的区域布局2路直径为Ø1 mm的DPS探针,光路穿过K9玻璃样品,使其正对测试界面(碰撞面),见图 1中探针DPS 1、DPS 2,用于监测样品内部光学和力学性质的变化。由于K9玻璃会产生的失效波源自碰撞界面,且失效波波速在压缩波后[8-9],平面碰撞实验从物理设计上避免了失效波对研究结果的影响。实验飞片尺寸为Ø36 mm×2 mm,样品尺寸为Ø35 mm×6 mm。同时,为了便于碰撞面的光学测试,在飞片碰撞面上均匀镀了一层厚度为1 μm的铝膜,用于测量飞片碰撞面的运动信息。

      图  1  平板撞击实验示意图

      Figure 1.  Schematic of planar impact test

      图 2为平面碰撞时靶和样品x-t和测试界面的速度剖面v-t示意图,结合图 2特征线x-t及速度剖面v-t中不同时刻光学测试界面变换,图 3给出了3.15、6.67、7.19及8.96 GPa 4个压力点的典型速度剖面以及原始干涉条纹信号。其中,t0为碰靶时刻,t1为飞片内追赶稀疏波到达碰靶面时刻,t2为样品内冲击波到达自由面时刻,t0-t2为冲击波在样品中的传播时间。

      图  2  x-tv-t示意图(S:冲击波,R:稀疏波)

      Figure 2.  Sketch of x-t and v-t

      图  3  典型的原始干涉条纹信号及测试界面粒子速度

      Figure 3.  DPS original interference signals and impact interface velocity

      通过对上述结果的分析:当tt0时,利用光在飞片前界面的铝膜反射,直接测量击靶前飞片碰撞面粒子速度剖面,即a-a面与b-b接触以前的反射面粒子速度;当t0tt2时,由于冲击波的压缩作用,测试信号反映了波阵面上的粒子运动信息。在这个时间段内,K9玻璃样品内部的折射率将发生变化,反映了K9玻璃样品内部的透光性和压缩破坏情况,即b-b面与c-c面之间的粒子运动信息;当tT2时,干涉条纹的变化反映了样品后界面的粒子速度变化信息,即c-c面(自由面)的粒子运动信息。其中,在t0tt2时间内,由于样品和飞片内部传播的稀疏波以及飞片后界面追赶卸载波的相互作用,波系相对复杂,波阵面前后样品的特性存在差异。对比低压力(见图 3(a))和高压力(见图 3(d))的原始干涉信号,可以看出,在t0tt2内,低压的干涉信号比较光滑,而高压的干涉信号出现杂乱的振荡,后者与K9玻璃内部出现损伤有关。具体来讲,当冲击波压力p≥8 GPa(Shot 418和Shot 927),在t0tt1时间段内的界面速度不是完整的平台,在维持200 ns的平台后,测试信号突然变弱,速度剖面出现剧烈震荡,这种现象说明K9玻璃出现压缩破坏,导致其光学透明性质变化。因此,K9玻璃在冲击加载下保持透明的弹性压力大约为8 GPa,与文献[9]和文献[10]中研究K9玻璃内部的失效波机制时报道的K9玻璃的弹性极限一致。

      通过汇总不同压力下测得的界面速度剖面信号(见图 4),可以清楚地了解K9玻璃的弹性响应特性及保持冲击透明的压力范围。由表 1图 4的实验结果可以分析K9玻璃弹性范围内的力学响应特性以及波速与粒子速度的关系。由于本研究实验方法属于原位测量,可不考虑飞片倾斜和弯曲对结果的影响,粒子速度up和冲击波速度us的测量相对扩展不确定度分别不大于0.2%和1%,upus实验结果见图 5,直线为us-up的线性拟合关系。由图 5可知,在低于9 GPa的压力范围内,K9玻璃的弹性冲击波速度基本保持不变,平均值为5.941 km/s,表现出线弹性响应特性。上述弹性波数值略小于超声测量的弹性纵波速度6.06 km/s,两者相差约2%。这个结果与蓝宝石、石英及氟化锂等的结果[22]有明显不同,后三者的弹性波速均随应力增加而增加,表现出典型的非线性弹性关系。

      图  4  利用碰撞面测得的典型速度剖面

      Figure 4.  Velocity of impact interface

      Exp. No. Wf/(km/s) p/(GPa) D/(km/s) ρ/(g/cm3) um/(km/s) η um/up
      Shot 416 0.317 6 2.37 5.929 2.589 35 0.176 7 1.527 92 1.112 7
      Shot 826 0.416 9 3.15 6.004 2.610 61 0.233 5 1.534 40 1.120 7
      Shot 422 0.529 8 3.92 5.871 2.639 08 0.295 2 1.535 82 1.114 4
      Shot 507 0.701 6 5.23 5.917 2.678 82 0.391 5 1.542 06 1.116 0
      Shot 702 0.904 4 6.67 5.854 2.730 96 0.503 3 1.550 60 1.113 0
      Shot 827 0.953 8 7.19 5.983 2.738 31 0.531 0 1.555 20 1.113 7
      Shot 418 1.060 0 8.01 6.000 2.764 17 0.582 1 1.557 35 1.098 3
      Shot 927 1.192 0 8.96 5.966 2.799 69 0.666 0 1.561 20 1.117 4

      表 1  折射率计算参数

      Table 1.  Refractive index calculation parameter

      图  5  K9玻璃的弹性us-up关系

      Figure 5.  Relation between us and up of K9 glass

      在冲击作用下,窗口材料的密度和温度发生变化,折射率也要随之改变,这就必然会产生附加的多普勒频移。Setchell证明[14],实验中直接测量得到的表观粒子速度um和窗口受冲击后的折射率η、真实粒子速度up、冲击波速度us密切相关[22]

      $ {u_{\rm{m}}} = \eta {u_{\rm{p}}} - (\eta - {\eta _0}){u_{\rm{s}}} $

      表观粒子速度um与真实粒子速度up的差值Δu称为速度修正值,即

      $ \Delta u = {u_{\rm{m}}} - {u_{\rm{p}}} $

      对于某种给定的窗口材料,只要通过实验获得其Δu-up关系,利用直接测出的表观速度um,即可给出真实粒子速度um

      在实际应用中,对大多数窗口材料而言,其速度修正关系均可采用线性关系进行较好的描述,对图 4中的(up,Δu)数据进行最佳线性拟合,其结果为

      $ \Delta u = - 8.45 \times {10^{ - 5}} + 0.1155{u_{\rm{p}}}\;\;\;\;(\lambda = 1550\;{\rm{nm}}) $

      uup)的实验结果及拟合数据见图 6。由于(3)式中常数项很小可以忽略,可改写为

      图  6  K9玻璃的速度修正Δu-up关系

      Figure 6.  Δu-up revision relation of K9 glass

      $ {u_{\rm{p}}} = \frac{{{u_{\rm{m}}}}}{k}\;\;\;\;k = 1.1155 $

      用(4)式修正数据更加方便。

      另一方面,引起窗口附加多普勒效应的本质原因是窗口折射率变化,通过测量冲击加载下窗口折射率的变化,可以从理论上研究特定波长、不同冲击压力下的窗口光学特性。由(1)式可得

      $ \eta = \frac{{{\eta _0}{u_{\rm{s}}} - {u_{\rm{m}}}}}{{{u_{\rm{s}}} - {u_{\rm{p}}}}} $

      K9玻璃在1 550 nm波长下的初始折射率η0=1.500 65。根据(5)式及冲击Hugoniot关系,利用表 1给出的umupus,可以计算出不同加载压力下的折射率η和相对密度ρ,结果见表 1。对所得的ρη数据进行多项式拟合发现,采用线性函数便能很好地拟合实验数据(见图 7),其最佳线性拟合方程为

      图  7  K9玻璃折射率η随密度ρ的变化关系

      Figure 7.  Relation between η and ρ of K9 glass

      $ \eta = 1.108\;08 + 0.155\;68\rho \;\;\;\;(\lambda = 1550\;{\rm{nm}}) $

      在冲击载荷作用下,窗口材料的密度和温度发生变化,内部可能发生压缩破坏,进而造成光的散射和吸收,这种情况下就不适合做干涉测试窗口使用了。根据上述实验得到的波剖面数据,结合原始干涉条纹信号,可以推算出K9玻璃在8 GPa以内对于1 550 nm波长的光保持透明性,适合作为低压窗口材料。可以看出,在8 GPa以内,飞片击靶后干涉条纹信号幅度无明显降低,说明在冲击作用下K9玻璃仍然保持良好的透明性,从相应粒子速度剖面上也显示稳定的速度状态,直到追赶稀疏波到来速度才下降。最高压力点的实验结果(图 2(d))呈现出不同的速度剖面特征:追赶稀疏波到达飞片/样品界面t1时刻之前,速度曲线开始出现无规则的振荡起伏,相应的条纹信号的幅值明显降低,这可能是在此压力下K9内部产生了破坏波。由于压缩破坏,破坏波阵面后的材料产生大量裂纹、微孔洞,甚至材料粉化(毛玻璃),造成激光在破坏层被强烈地散射,使返回到干涉仪的光强大为减弱,严重影响干涉信号的信噪比和数据质量,此时窗口材料可以看作是不透明的。

    • 通过平板对称碰撞实验,结合DPS测试技术,通过原位测量获得了K9玻璃飞片/样品界面的粒子速度,结合原始干涉信号和界面粒子速度的特征,分析了K9玻璃在弹性范围内的冲击透明特性,获得了高精度的K9玻璃粒子速度up和冲击波速度us数据,确定了K9玻璃在8 GPa范围内、1 550 nm激光波长下的动态折射率线性修正关系,弥补了国内关于K9玻璃作为光学窗口的参数的不完整。研究结果表明,在弹性范围内,K9玻璃能够保持良好的透明特性,其动态折射率与密度的关系也表现为线性关系,可作为光学窗口材料。

参考文献 (22)

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