冲击波加载过程中水的结构演变和相变动力学行为研究

The research on the structural evolution and phase transformation kinetics of water under shock wave loading is an important issue of condensed matter physics, as well as the key link in designing either the offensive or the defensive scheme underwater in weapon physics field. However, the shock-induced crystallization near the melting curve of ice VII is still an indirect speculation, since the investigations of microscopic structure and spectral characteristics of the high-pressure ice face technical challenge. A spontaneous Raman spectra technique based on gas-gun loading condition is developed by ourselves in laboratory recently, in which the precision of time control and spectral sensitivity are obviously improved. Based on the shock wave technique, in situ transient laser Raman spectroscopy and ab initio molecular dynamics simulation, this proposal plans to reveal the relationship between the structural characteristics of the shock compressed water/ice system and the loading path, and to research the transformation kinetics during phase transition in water under shock loading. At the end of this work, it is expected to understand the influence of loading path on the structural characteristics of shock compressed water/ice system, to reveal the relationship between the structural features of the impacted sample and the traversing time of shock wave in it, and to elucidate the mechanism and kinetics of phase transformation in water under shock compression preliminary. The achievements of this project would be helpful to analyze the behavior of water/ice system under extreme conditions deeply, it will also provide a convenient reference for the research on other related condensed matter.

研究冲击波加载过程中水的结构演变和相变动力学行为是高压凝聚态物理领域的重要课题之一，也是武器物理研究领域设计水下攻防方案的关键环节。目前有关冲击波诱导产生的处于冰VII熔化线附近的高压冰的微观结构和光谱特性的研究尚不充分，以致该热力学条件下水的冲击产物的具体结构至今仍是一种推测。本项目拟在提高气炮加载冲击瞬态拉曼光谱技术的灵敏度和时间控制精度的基础上，结合轻气炮平面碰撞加载手段、瞬态拉曼光谱技术以及从头算分子动力学模拟方法，针对冲击高压水/冰体系的结构特征与冲击加载路径之间的关联和冲击加载下水相变过程中的动力学演化行为展开研究。本工作可望确定冲击加载路径对高压水/冰体系结构特征的影响，揭示冲击高压水/冰体系的结构特征与冲击波作用持续时间的关联，力争阐明冲击波加载过程中水的相变动力学机制。该项目的研究成果有助于进一步理解水/冰体系在极端条件下的行为，也可为相关凝聚态物质的研究提供参考。

研究冲击波加载过程中水的行为是高压凝聚态物理领域的重要课题之一，也是武器物理研究领域设计水下攻防方案的关键环节。为利用轻气炮冲击加载手段和透射率实时监测技术研究水的冲击相变行为，研究并开发了一套基于轻气炮加载平台的光透射率实时诊断系统。该系统实用性强、灵敏度高、设备成本低，能够准确记录透明样品在冲击波作用下的透射率变化历史，系国内首创，达到了国际领先水平。基于该系统，分析得到了石英/冲击水界面水结晶过程中与相变动力学有关的参数。实验数据表明石英窗口改变了冲击水的相变路径，使其在熔化线附近的液相区就可以发生。求解出的Avrami指数表明，实验中相变初期的成核过程主要对应于石英/冲击水界面非均匀成核，晶体生长方式为一维针状。研究数据表明，以石英为窗口的冲击水相变不仅主要由界面形核、成长引起，还有可能与冲击水内部的均匀成核、长大有关。通过分析以石英为窗口的冲击水透射率“速降→缓降→缓升→平稳”的变化规律，发现在石英诱导下，终态压强为5GPa左右的冲击水相变虽然在数百ns尺度内就可以发生，但却不能在数百ns内结束，其相变持续时间至少在μs量级。首次得到了在研究目标压力范围（2~6GPa）内石英窗口诱导下的新相成核和成长的总平均速率，约为1m/s。调研结果表明，目前国内外尚无对该条件下冲击水相变速率取值的报道。分析结果表明升压有助于提升相变速率，在冰VII相区内适当升温有助于缩短相变弛豫时间。未观测到水样品初始厚度对透射率变化的显著影响，该现象进一步印证了我们分析给出的“在石英诱导冲击水结冰过程中，界面非均匀成核占主导地位”这一认识。与此同时，本小组研发了一套基于半经典半量子理论模拟水体系拉曼谱的软件，获取了关于常态水拉曼谱较为合理的模拟结果。本工作取得的相关结论、研发的技术手段不仅对深入理解冲击水的相变行为有帮助，还可为其它相关材料在极端条件下的快速相变行为的研究提供参考。