冲击加载下金属锡熔化破碎现象的实验研究

A stong shock-wave, produced by high-velocity or explosive detonation, can induce melting. Reflection of the triangular pressure wave from the free surface generates stong tensile stresses in the liquid state that lead to the creation of an expanding cloud of liquid debris, the investigation of micro-spall is an issue of considerable importance to study dynamic process in implosion of weapon ，interface instability and mixture.This project is devoted to the experimental investigation of such dynamic fragmentation phenomena in shock-loaded Tin. Plate impact experiments on tin will be conducted by using electric gun, the momentum distribution of liquid debris will be provided by linear array PDV,gel will be used to recovered the ejecta. On the same time, numerical simulation of the physical process will be performed on the basis of SPH. The main purpose of the project is to address experimental characterization, theoretical modelling and simulation of the micro-spalling process in tin, whick can lay a fundation for research on dynamic fragmation of shock-melted matal.

高速撞击或炸药爆轰过程中，样品内部传播的冲击波将在自由面反射稀疏波，材料冲击熔化或卸载熔化区发生复杂的破碎现象，研究这种微层裂现象对于武器内爆动力学过程、界面不稳定性及混合等重大应用问题具有重要意义。本项目采用电炮装置驱动高速飞片，通过平板碰撞实验在样品内部产生一维平面冲击三角波加载，发展高时空分辨线阵PDV技术测试冲击加载下金属锡喷射颗粒的空间动量分布，并结合基于SPH方法的数值模拟与凝胶的软回收技术，获取材料熔化与动态破碎过程的相关信息，为熔化金属微层裂现象的机理研究奠定技术和理论基础。

金属冲击熔化或卸载熔化时，样品自由面反射的稀疏波将导致熔化金属沿厚度方向复杂的破碎行为。本文首次采用多通道动量测试方法，测试金属铝或锡微层裂喷射物质的空间动量密度分布。通过对动量瞬态测试装置的多次优化，获得二十微秒以上的有效信号（Asay窗有效测试时间一般仅3μs～4μs）。对两种不同表面粗糙度的金属锡样品开展一维平面冲击微层裂实验，测试熔化金属破碎雾化区粒子动量的时空分布信息，分别获得百纳米表面粗糙度样品的多次层裂信号，以及数微米表面粗糙度样品的三维破碎信号。鉴于稀疏波传播与破碎过程的复杂性，对破碎区的理论分析与建模必须基于微层裂过程的数值模拟。应用光滑粒子动力学方法（SPH）初步开展了铝冲击熔化与破碎过程的大规模数值仿真，通过测试信号与数值计算结果的比较，揭示材料模型对测试信号的显著影响；模拟结果也揭示测试信号蕴含破碎颗粒的尺度信息。对不同粗糙度金属锡微层裂过程开展细观尺度模拟，研究发现微米尺度的表面粗糙度足以使扰动伴随反射稀疏波的传播充分增长，卸载区熔化金属充分破碎，破碎粒子同时具有冲击方向和径向的分散性。