冲击波扰动方法研究高温高压下固体材料的剪切模量

高温高压力下固体材料强度特性的研究是冲击动力学领域的重要课题之一，其中材料的剪切模量是核武器内爆过程、航天器飞行防护以及核幔边界稳定性等研究领域不可缺少的重要参量。本项目首次将冲击波扰动方法应用于研究高压下固体材料的强度特性，在理论上建立研究固体材料强度特性的二维流场数值分析方法以得到冲击波流场中正弦形扰动幅度衰减特性与剪切模量之间的定量关系；在实验上基于光纤阵列传感技术和窄脉冲光电测量技术解决冲击波波阵面扰动幅度的准确测量问题；建立一套准确测量物质在冲击高压下剪切模量的实验方法；本申请以铝为例，在10-130GPa压力范围内研究金属铝的剪切模量及其随冲击压力的变化规律。与现有测量方法相比，本项目中的冲击波扰动方法不存在冲击压力和窗口的限制，且测量精度较高。开展本项研究将推动高温高压高应变速率条件下材料强度特性的研究，同时为武器、航天及工程爆破等工程研究提供可靠的剪切模量实验数据。

高温高压下材料强度特性的研究是冲击动力学领域的重要课题之一，其中材料的剪切模量和屈服强度是武器物理、地球物理及航天器飞行防护等研究领域不可缺少的重要参量。本课题发展了飞片碰撞小扰动方法，将其应用于研究高压下材料的强度特性，获得了高压下铝的剪切模量和屈服强度的实验结果。该成果具有重要的科学意义和工程应用背景。. 本课题在探索和完善实验测量技术方面和数据分析方面都取得了显著进步。主要结论如下：1.探索冲击波波阵面扰动幅度测量新技术——光纤阵列测量技术。在合理的实验装配下利用五组光纤探针测量到冲击压力71GPa条件下冲击波波阵面扰动到达样品铝斜面时的50个时间点，从而给出这一压力下冲击波波阵面扰动在铝中的传播过程。2.通过数控加工提高样品和支架的加工精度及喷镀法改进样品和探针间的绝缘方法，从而提高了离散式电探针方法的测量精度。3.利用飞片碰撞小扰动方法获得冲击压力30～100GPa条件下冲击波波阵面扰动在样品铝中的衰减震荡过程。4.建立弹塑性模型，描绘飞片碰撞小扰动实验流场的演化过程，并给出冲击波波阵面扰动衰减曲线与铝的剪切模量(和屈服强度)间的定量关联。5.利用实验和数值模拟相结合给出冲击压力30～100GPa条件下铝的剪切模量和屈服强度均随压力升高而变大，低压段与SCG模型的结果基本吻合。6.材料的粘性使得不同波长样品中冲击波波阵面扰动衰减曲线零幅点具有不同的横坐标，而材料的弹塑性并不会影响此点的位置。这将是区分材料粘性和弹塑性的有效方法。. 本课题充分利用精度较高的飞片碰撞小扰动实验方法和可靠的二维流场数值模拟方法，得到高压下材料的强度特性。该方法基本满足了材料剪切模量和屈服强度的测量要求，是研究高温高压下物质强度特性的的一种重要途径。. 本课题在执行中修改了实验测量方法，添加了部分研究内容，圆满完成了项目的总体目标。