预加热条件下纯钨及钨铜混合粉末的冲击压缩行为研究

The research at shock compression behavior of powder/porous material is an important issue for explosion mechanics and dynamic behavior of materials. In this program, the shock compression behavior of pure tungsten and tungsten-copper mixture will be studied, which represent single- and multi-component powders. A specific fixture is designed for measuring the dynamic response with an electric wire to preheat powder sample. The measurements are conducted under a wide range of strain rate using gas gun, where the VISAR is used to measure the free surface velocity of sample. The recovery experiments will be conducted under identical conditions with measurements; and the recovered samples will be characterized with density measurements and microstructure observation. Based on the measured data and theoretical derivation, the equation of state will be developed to predict the Hugoniot of preheated powders in a full pressure range (>1GPa). A mesoscale simulation using SPH (Smooth Particle Hydrodynamic) method will be carried out to study the effect of simulation parameters (preheating temperature, material properties, porosity and particle distribution) on the final morphology, microscopic mechanical-thermal responses and Hugoniot relationship. The shock compressive behavior of preheated powders and corresponding densification mechanism will be explored in depth within the measurement, modeling and simulations. This research is significant and valuable for understanding the shock compressive behavior of preheated materials.

粉末材料的冲击压缩行为是爆炸力学、冲击动力学的一个重要研究课题。项目拟对预加热条件下金属单质和混合粉末的冲击压缩行为开展研究，以纯钨及钨铜混合粉末为研究对象，设计加工样品加热装置，对粉末进行预热，利用气炮在较大应变率范围内进行加载，通过VISAR等测试手段，测量冲击加载时样品的自由面速度。设计预加热条件的冲击回收实验，并对回收样品的致密度和显微组织进行观测。基于测量结果和理论推导，应用焓基状态方程，建立全压力范围内(>1GPa)的预加热粉末冲击压缩方程。采用光滑粒子算法对粉末预加热条件下冲击压缩过程进行细观尺度的数值模拟。结合数值模拟和实验观测，对预热温度、材料参数、粉末粒度分布及孔隙度等因素对粉末冲击压缩形貌，微观力-热响应及宏观Hugoniot关系的影响进行深入研究，获得预加热条件下粉末冲击压缩特性及相应的致密化机理。本研究对预加热条件下材料的冲击压缩特性研究有重要意义和参考价值。

冲击波合成材料是一种探索新物相、制备新材料的有效手段，具有重要的研究价值和应用前景，因此，研究粉末的冲击压缩行为具有重要的意义。项目围绕粉末材料在高初温条件下的冲击压缩行为展开，建立了基于Wu-Jing状态方程的预加热条件粉末的冲击压缩方程，与实验数据符合较好，能在全压力范围内对单质、混合粉末的高初温Hugoniot线进行预测；通过细观尺度数值模拟，预测了高温粉末的Hugoniot关系，与冲击压缩方程计算结果符合较好，揭示了高初温单质W和W-Cu混合粉末的冲击烧结机理。发现对于单质W粉，预热降低了粉末的波阻抗，促进W颗粒表面的熔化和塑性形变，表面熔化和塑性形变是主要的烧结机理，而对W-Cu混合粉末来说，预热仅促进了W颗粒的塑性形变，W的塑性形变和Cu填充孔隙是主要的烧结机理；在此基础上，开展了W-Cu粉末的高温爆炸烧结实验，制备了密度超过96%理论密度的样品，从显微结构发现，高温预热促进了Cu的均匀分布，是致密化的关键因素，验证了数值模拟的预测；因此，采用化学镀法制备了Cu包覆W粉末，实现了Cu的均匀分布，并在1GPa压力下，得到了密度超过98%的W-Cu复合材料，发现W-Cu结合强度取决于化学镀工艺，冲击波压力对样品性能的影响较小；开展了W-Cu复合板的爆炸焊接，通过降低碰撞速度减小拉伸波强度，制备了无裂纹的0.1mmW-Cu复合板，通过高温预热提高W板塑性，制备了无裂纹2mmW-Cu复合板， W-Cu结合界面呈波纹状，具有较高的结合强度，经数值模拟和显微组织观察发现，W-Cu的波纹界面形成过程符合Bahrani机理；最后，通过爆炸烧结的方式，在不诱发反应的前提下，得到了高致密高强度的Ni-Al含能结构材料，屈服强度超过300MPa，动态力学性能测试结果表明，材料具有明显的应变率效应，金属间化合物的生成会大大降低其力学性能，结合高速摄像和显微组织观察，发现两相均连续分布的Ni-Al复合材料的动态断裂模式，受两相结合强度的影响，DSC结果表明，热处理促进了Ni-Al间扩散，增强了Ni-Al结合强度，但不会诱使金属间化合物的生成。