一种测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验装置及方法

摘要

本发明涉及动高压冲击压缩技术领域，提供了一种测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验装置及方法，实验装置包括靶盘底座、实验样品、支架、固定后座以及测量系统，靶盘底座设置有样品容纳槽，靶盘底座的一端设置有靶盘缺口，靶盘缺口与样品容纳槽连通；实验样品放置于样品容纳槽内，实验样品的前界面呈曲面波纹状结构且面向靶盘底座的靶盘缺口。本发明利用高速飞片冲击实验样品，在其中产生扰动冲击波，测得样品后界面运动过程中的频谱信号，利用傅里叶变换等方法得到样品后界面粒子速度随时间的变化规律，进而可描绘出冲击波波阵面的演化过程，进一步地，选择连续压力点进行多次测量，利用粒子速度与压力的定量化关系分析被测实验样品的相变。

说明书

技术领域

本发明涉及动高压冲击压缩技术领域，具体而言，涉及一种测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验装置。

背景技术

在高温高压条件下，凝聚态物质常作为流体处理，其动力学过程由流体力学方程组描述。物质的粘性系数对于研究任何实际流体的动力学运动过程都是一个重要的物性参数，通过粘性系数能够描述物质流场中粘应力与物质微元形变速率之间的相关性。能否精确的反映扰动冲击波在物质中的演化规律，决定着能否精确的测量出物质冲击高压下的粘性系数。因此，准确的反映出材料中扰动冲击波波阵面的演化规律具有至关重要的意义。

对于材料的粘性，由于材料强度部分效应的存在，目前所定义的粘性代表一种等效粘性，前人大量的研究证实，高温高压物质流场的等效粘性密切关系着流场中的动量扩散和能量耗散，耗散过程需要借助物质微观粒子的相互作用得以实现。因此，物质等效粘性的变化能够敏锐的反应物质的结构相变，极端条件下等效粘性系数的测量就为研究物质相变提供了新思路。

为了获得物质的粘性系数，早期主要是通过理论计算和静高压实验获得。理论计算因为其基于理想化模型和理想化条件，其分析结果很难得到公认。静高压实验因为实验条件的限制很难创造超高温高压的环境，使得高温高压条件下物质的粘性数据比较空缺。

轻气炮技术的发展为研究物质高温高压条件下的粘性提供了新的方法，在动高压领域研究物质粘性的方法主要有：

1.间接测量法，间接测量法包括冲击加载下的金属圆柱运动法、离子导电率测量方法、荧光寿命方法和扩散凝聚法等。然而，由于这些测量方法需要提前标定，并与待测物质参数结果作比较，使得这些方法存在不确定性，所得结果很难被学术界接受。

2.直接测量法，直接测量法包括冲击波阵面厚度测量法与扰动冲击波振幅衰减测量法。对于冲击波阵面厚度测量法，由于实验仪器精度不高，使得测量结果只是一个粗略的平均值；目前利用扰动冲击波振幅衰减思路测量物质粘性系数的实验方法包括Sakharov小扰动实验与飞片碰撞扰动实验，对于Sakharov小扰动实验，由于实验中基板后界面波纹振幅设置过大，使得正弦冲击波引入到样品材料中时出现喷射而导致波形畸变，使得实验结果具有一定的不确定性；而飞片碰撞扰动实验实验装置装配难度较高，并且由于电探针测量端位置在装配和检测过程中可能出现不确定的变化，使得实验结果存在较大误差。

鉴于以上方法的缺点，本发明提出了一种基于多普勒效应来测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验装置及方法，以至少克服上述方法存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验装置及方法，以至少克服现有动高压领域研究物质粘性的方法所存在的测量结果不够准确、实验装置装配难度较高等技术问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一方面，本发明提供了一种测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验装置，用于测量扰动冲击波在实验样品中波阵面的演化过程，该实验装置包括：

靶盘底座，所述靶盘底座设置有样品容纳槽，所述靶盘底座的一端设置有靶盘缺口，所述靶盘缺口与样品容纳槽连通；

实验样品，所述实验样品放置于样品容纳槽内，所述实验样品的前界面呈曲面波纹状结构且面向靶盘底座的靶盘缺口；

支架，所述支架固定于实验样品的后端，且所述支架的前端面与实验样品的后界面接触，所述支架上设置有光纤孔；

固定后座，所述固定后座设置于靶盘底座远离靶盘缺口的一端，所述固定后座的前端面与支架的后端面接触，所述固定后座与靶盘底座可拆卸地连接；

测量系统，所述测量系统包括测量光纤、多普勒位移测速系统以及示波器，所述测量光纤的一端与支架上的光纤孔相连，所述测量光纤的另一端与多普勒位移测速系统相连，所述多普勒位移测速系统与示波器相连，所述示波器用于记录实验过程中实验样品后界面的运动过程。

在一些可能的实施例中，所述实验样品的后界面呈阶梯状结构，所述支架的前端面也呈阶梯状结构，所述支架前端面的阶梯状结构与实验样品后界面的阶梯状结构相吻合；

所述支架通过前端面的阶梯状结构与实验样品的后界面紧密接触，并固定于所述实验样品的后端。

在一些可能的实施例中，所述实验样品为固体样品或粉末样品；

当所述实验样品为粉末样品时，所述粉末样品呈阶梯状结构的一侧表面镀有铝箔，所述支架通过前端面的阶梯状结构与粉末样品后界面的铝箔紧密接触。

在一些可能的实施例中，当所述实验样品为粉末样品时，该实验装置还包括压制装置，所述压制装置包括：

压制座，所述压制座设有压制腔，所述压制腔贯穿压制座的顶部设置；

成形模具，所述成形模具设置于压制腔的内底部，所述成形模具的顶部呈曲面波纹状结构；

压机顶砧，所述压机顶砧的底部呈阶梯状结构，所述压机顶砧与压制腔适配。

在一些可能的实施例中，所述支架上开设的光纤孔为多个，所述测量光纤与光纤孔一一对应，所述测量光纤与支架相连的一端延伸至光纤孔内；

多个所述光纤孔分别对应曲面波纹状结构中波峰和波谷在实验样品不同厚度处的后界面。

在一些可能的实施例中，所述测量光纤的接头采用UPC接头，所述多普勒位移测速系统所使用的光源为波长1550nm的激光。

另一方面，本发明提供了一种测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验方法，采用上述所述的测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验装置，该实验方法包括以下步骤：

步骤S1.制备实验样品；

当所述实验样品为固体样品时，将所述固体样品的前界面加工成曲面波纹状结构；将所述固体样品后界面加工成阶梯状结构；

当所述实验样品为粉末样品时，将所述粉末样品放入压制装置中压制成形，保证所述粉末样品的形状与固体样品的形状相同，并在所述粉末样品呈阶梯状结构的一侧表面镀上均匀的铝箔；

步骤S2.放置实验样品；

当所述实验样品为固体样品时，将所述固体样品放置于靶盘底座的样品容纳槽内，并使得所述固体样品的前界面面向靶盘底座的靶盘缺口，随后安装所述支架，保证所述支架的前端面与固体样品的后界面紧密接触；

当所述实验样品为粉末样品时，将所述粉末样品放置于靶盘底座的样品容纳槽内，并使得所述粉末样品的前界面面向靶盘底座的靶盘缺口，随后安装所述支架，保证所述支架的前端面与粉末样品后界面的铝箔紧密接触；

完成所述实验样品和支架的安装之后，安装所述固定后座，并保证所述固定后座的前端面与支架的后端面紧密接触；

步骤S3.靶盘底座安装；

将所述靶盘底座安装至轻气炮的靶架上，并使得所述靶盘底座的靶盘缺口与轻气炮的飞片正对；

步骤S4.测量系统连接；

将所述测量光纤的一端插入至支架对应的光纤孔内，所述测量光纤的另一端与多普勒位移测速系统相连，所述多普勒位移测速系统与示波器相连；

步骤S5.测量；

所述轻气炮发射飞片，利用所述飞片冲击实验样品的曲面波纹状结构，以实现在所述实验样品中产生扰动冲击波，随后，利用所测得样品后界面运动过程中的频谱信号，利用傅里叶变换等方法得到样品后界面粒子速度随时间的变化规律，进而描绘出冲击波波阵面的演化过程；并选择连续压力点进行多次测量，利用粒子速度与压力的定量化关系分析被测实验样品的相变。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供的测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验装置及方法，基于轻气炮加载，通过高速飞片冲击，在实验样品中产生扰动冲击波，利用所测得样品后界面运动过程中测得的频谱信号，经过傅里叶变换等方法得到样品后界面粒子速度随时间的变化规律，进而可描绘出冲击波波阵面的演化过程，进一步地，选择连续压力点进行多次测量，利用粒子速度与压力的定量化关系分析被测实验样品的相变。

2、本发明提供的实验装置结构相比于电探针实验装置结构更简单，相比于电探针实验装置具有更多的优势。在宏观角度，该实验装置能够测得实验样品不同厚度处的扰动冲击波波阵面特征点，利用扰动波阵面的演化规律获得被测实验样品的粘性系数；在微观角度，该实验装置能够测得实验样品不同厚度处对应界面的运动情况，并获得对应界面的粒子速度，进一步地，获得被测实验样品的可能相变信息。因此，该实验装置能够满足被测实验样品中冲击波波阵面、粘性系数、界面粒子速度以及相变信息的测量工作，实验成功率更高并且实验成本更低，具有更加广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的测量固体样品时实验装置的正视剖视图；

图2为本发明实施例提供的测量固体样品时实验装置的俯视剖视图；

图3为本发明实施例提供的靶盘底座与固定后座的结构剖视图；

图4为本发明实施例提供的测量固体样品时实验装置部分组件的爆炸图；

图5为本发明实施例提供的测量固体样品时实验装置部分组件装配后的结构半剖视图；

图6为本发明实施例提供的测量粉末样品时实验装置的正视剖视图；

图7为本发明实施例提供的测量粉末样品时实验装置的俯视剖视图；

图8为本发明实施例提供的测量粉末样品时实验装置部分组件的爆炸图；

图9为本发明实施例提供的测量粉末样品时实验装置部分组件装配后的结构半剖视图；

图10为本发明实施例提供的实验过程中其中一个测量光纤所对应的实验样品后界面的频谱信号图；

图11为本发明实施例提供的实验过程中实验样品后界面的粒子速度随时间变化的变换关系图。

图标：a-固体样品，b-粉末样品，10-靶盘底座，10a-样品容纳槽，10b-靶盘缺口，20-支架，20a-光纤孔，30-测量光纤，40-固定后座，50-多普勒位移测速系统，60-示波器，70-铝箔。

具体实施方式

请参照图1至图9，本实施例提供了一种测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验装置，用于实现测量扰动冲击波在实验样品中波阵面的演化过程，通过冲击波的波阵面演化过程可以获得冲击波的振荡衰减曲线，结合数值模拟方法进而得出被测样品在不同压力下的粘性系数。可以理解的是，本实施例中待测的实验样品包括固体样品a和粉末样品b，针对不同类型的实验样品，该实验装置略有不同，下面将对实验装置的具体结构做详细的阐述。

在本实施例中，用于测量固体样品a和粉末样品b中扰动冲击波波阵面演化过程的实验装置均包括靶盘底座10、支架20、固定后座40以及测量系统。

结合图1、图2、图3、图6和图7所示的内容，在本实施例中，靶盘底座10设置有样品容纳槽10a，样品容纳槽10a贯穿靶盘底座10的一侧侧壁设置，样品容纳槽10a用于放置并固定实验中的固体样品a或粉末样品b，此时，靶盘底座10的一端开设有与样品容纳槽10a连通的靶盘缺口10b，以通过该靶盘缺口10b限制实验样品的位置。需要说明的是，本实施例的靶盘底座10可以但不局限于采用铝制成，且靶盘底座10的尺寸根据轻气炮靶架的尺寸确定，在此不做限定，通过靶盘底座10可以将该实验装置的固体样品a或粉末样品b、支架20以及固定后座40等组件固定至轻气炮的靶架上，以便后续进行实验样品材料中扰动冲击波波阵面演化的测量。

结合图1、图2、图6或图7所示的内容，在本实施例中，支架20设置于靶盘底座10远离靶盘缺口10b的一侧，且当支架20安装完成后，支架20固定于实验样品的后端，以通过支架20限制实验样品的位置。可以理解的是，本实施例的支架20可以但不局限于采用铝制成，且支架20上设置有与样品容纳槽10a连通的光纤孔20a，以便于后续与测量系统相连。

结合图1、图2、图3、图6或图7所示的内容，在本实施例中，固定后座40设置于靶盘底座10远离靶盘缺口10b的一端，且固定后座40与靶盘底座10可拆卸地连接。其中，固定后座40可以但不局限于采用铝制成，固定后座40与靶盘底座10可以但不限于采用螺纹连接，即固定后座40的相应位置设置有外螺纹，靶盘底座10后端设置有内螺纹，且当固定后座40安装完成后，固定后座40的前端面能够伸入至样品容纳槽10a内并与支架20的后端面紧密接触，以通过固定后座40限制支架20的位置。

在本实施例中，若实验样品为固体样品a或粉末样品b，在实验前还需要将固体样品a或粉末样品b加工成特定形状。

具体地，固体样品a或粉末样品b的尺寸由靶盘底座10和支架20的位置共同确定。其中，结合图2或图7所示的内容，当实验样品为固体样品a或粉末样品b时，固体样品a或粉末样品b位于样品容纳槽10a内，且固体样品a或粉末样品b的前界面（即固体样品a或粉末样品b位于样品容纳槽10a内面向靶盘缺口10b的一侧，该前界面为冲击加载条件下被飞片高速冲击的面）呈曲面波纹状结构，此时，曲面波纹状结构具有波峰和波谷。

其中，对于固体样品a而言，固体样品a又分为金属固体样品和非金属固体样品，若为金属固体样品，则可以采用线切割装置在固体样品a的前界面加工出曲面波纹状结构，若为非金属固体样品，则可以采用雕刻机在固体样品a的前界面加工出曲面波纹状结构。对于粉末样品b而言，需要将粉末样品b压制为与样品容纳槽10a相匹配的形状，且压制成形后的粉末样品b与固体样品a的形状相同，以便于粉末样品b的安装与固定。

请参照图1或图6，在本实施例中，固体样品a或粉末样品b的后界面（即固体样品a或粉末样品b面向支架20的一侧）则加工成斜面，并在斜面上设置阶梯状结构，该阶梯状结构包括但不限于六级台阶，每一级台阶尺寸均相同。在本实施例中，支架20的前端面（即支架20面向固体样品a或粉末样品b一侧）同样设置为与实验样品的后界面相匹配的阶梯状结构，此时，支架20前端面的阶梯状结构与实验样品后界面的阶梯状结构相吻合，且当支架20安装在实验样品的后端时，支架20通过前端面的阶梯状结构与实验样品的后界面紧密接触，以保证支架20与固体样品a或粉末样品b能够匹配安装，从而实现既能保证支架20与固体样品a或粉末样品b相对位置的固定，又便于固定于支架20上光纤孔20a内的测量光纤30对不同厚度的扰动冲击波进行测量。

可以理解的是，为了实现粉末样品b的制备，当实验样品为粉末样品b时，该实验装置还包括压制装置（图中未示出），以通过压制装置将呈粉末状的粉末样品b压制成形，便于将粉末样品b放入靶盘底座10的样品容纳槽10a内并进行后续的测量实验。具体地，该压制装置包括压制座、成形模具以及压机顶砧，其中，压制座设有与粉末样品b的形状适配的压制腔，该压制腔贯穿压制座的顶部设置，成形模具设置于压制腔的内底部，且成形模具的顶部呈曲面波纹状结构，压机顶砧的底部则呈阶梯状结构且与压制腔适配，以使得压机顶砧能够伸入至压制腔内或伸出至压制腔外。在实际制备粉末样品b时，将粉末状的粉末样品b放入压制座的压制腔内，随后利用压机使得压机顶砧沿压制腔向下挤压粉末样品b，以实现粉末样品b的压制成形，最终压制成形且呈固体状态的粉末样品b与固体样品a的形状相同。

此外，在实际实施时，制备支架20的材料也可以随实验压力的变化而变化，本实施例中支架20的材料采用铝，如果需要考虑多次冲击，制备支架20的材料可以根据实验压力不同分别选择石英玻璃、蓝宝石或氟化锂（LiF），具体地，当实验压力为低压力（10GPa以内）时，支架20可以采用石英玻璃制备而成，当实验压力为中压力（10-40GPa）时，支架20可以采用蓝宝石制备而成，当实验压力为高压力（大于40GPa）时，支架20可以采用氟化锂制备而成。

另一方面，当实验样品为粉末样品b时，考虑到粉末样品b疏松多孔，回光反射率较低，为此，结合图6或图7所示的内容，可以在粉末样品b呈阶梯状结构的一侧（即粉末样品b的后界面）表面镀上铝箔70，且支架20通过前端面的阶梯状结构与粉末样品b后界面的铝箔70紧密接触，通过增加铝箔70来进行反光，能够提高粉末样品b后界面的回光反射率，从而确保实验过程中粉末样品b每一级台阶的竖直后界面的运动规律均能够被测量系统探测到。

在本实施例中，测量系统可以测量在固体样品a或粉末样品b中扰动冲击波到达不同厚度界面的时间，对于同一厚度界面，利用扰动冲击波到达界面的时间差，可以算出对应界面的扰动振幅，通过多个不同厚度的界面测量信息就能得出扰动冲击波在实验样品中波阵面扰动的演化过程，进一步地，结合数值模拟方法就能够得出固体样品a或粉末样品b在对应实验压力下的粘性系数。

具体地，请参照图1、图2、图6或图7，该测量系统包括测量光纤30、多普勒位移测速系统50以及示波器60。其中，测量光纤30的一端与支架20上的光纤孔20a相连，测量光纤30的另一端与多普勒位移测速系统50相连，多普勒位移测速系统50与示波器60相连，以通过示波器60记录实验过程中实验样品后界面的运动过程。可以理解的是，示波器60可以但不局限于采用高分辨率检测示波器，以提高测量结果的准确度。

需要说明的是，为了便于测量光纤30与支架20相连，支架20上开设的光纤孔20a为多个，且测量光纤30与光纤孔20a一一对应，测量光纤30与支架20相连的一端延伸至光纤孔20a内，可以理解的是，为了使得测量光纤30能够更好的与支架20上的光纤孔20a匹配，测量光纤30的接头采用UPC接头，且开设在支架20上的光纤孔20a的尺寸根据测量光纤30的纤芯长度和纤径来确定，同时，多普勒位移测速系统50所使用的光源为波长1550nm的激光，多普勒位移测速系统50又包括激光发射系统和回光接收系统，激光发射系统用于发出波长为1550nm的激光，回光接收系统则用于将探测到的固体样品a或粉末样品b后界面的回光振幅信息传递至示波器60，通过示波器60记录整个实验过程中的回光振幅信号。

此外，在实际实施时，开设在支架20上的多个光纤孔20a需要分别对应固体样品a或粉末样品b的曲面波纹状结构中波峰和波谷在固体样品a或粉末样品b不同厚度处的后界面。

示例的，请参照图4或图8，本实施例中支架20上开设有十八个光纤孔20a，对应十八个测量光纤30通道，此时，光纤孔20a呈矩形阵列分布；其中，结合图1或图6所示的内容，位于同一竖直线上的六个光纤孔20a分别与固体样品a或粉末样品b的曲面波纹状结构的波峰或波谷对应，结合图2或图7所示的内容，位于同一水平线上的三个光纤孔20a则与固体样品a或粉末样品b的曲面波纹状结构的一个波峰与两个波谷对应。值得注意的是，在实际实施时还需要合理控制支架20的厚度，保证测量光纤30的端头与固体样品a或粉末样品b的后界面的距离一定，确保回光效果最佳。

另一方面，本实施例提供了一种测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验方法，采用上述所述的测量材料中扰动冲击波波阵面演化的实验装置，该实验方法包括以下步骤：

步骤S1.制备实验样品；

当实验样品为固体样品a时，将固体样品a的前界面（即固体样品a位于靶盘底座10内面向靶盘缺口10b的一侧）加工成曲面波纹状结构；将固体样品a的后界面（即固体样品a位于靶盘底座10内面向支架20的一侧）加工成阶梯状结构；

当实验样品为粉末样品b时，先将粉末样品b放入压制装置中压制成形，以使得粉末样品b的形状与固体样品a的形状相同，并在粉末样品b呈阶梯状结构的一侧表面（即粉末样品b的后界面）镀上均匀的铝箔70；

步骤S2.放置实验样品；

当实验样品为固体样品a时，将固体样品a放置于靶盘底座10的样品容纳槽10a内，并使得固体样品a的前界面面向靶盘底座10的靶盘缺口10b，随后安装支架20，让固体样品a位于支架20与靶盘底座10构成的样品容纳槽10a内，保证支架20的前端面与固体样品a的后界面紧密接触；

当实验样品为粉末样品b时，将压制成形的粉末样品b放置于靶盘底座10的样品容纳槽10a内，并使得粉末样品b的前界面面向靶盘底座10的靶盘缺口10b，随后安装支架20，让粉末样品b位于支架20与靶盘底座10构成的样品容纳槽10a内，铝箔70位于粉末样品b远离靶盘缺口10b的一侧，保证支架20的前端面与粉末样品b后界面的铝箔70紧密接触；

步骤S3.靶盘底座10安装；

将靶盘底座10安装至轻气炮的靶架上，并使得靶盘底座10的靶盘缺口10b与轻气炮的飞片正对；

步骤S4.测量系统连接；

将测量光纤30的一端插入至支架20上设置的光纤孔20a内，测量光纤30的另一端与多普勒位移测速系统50相连，多普勒位移测速系统50与示波器60相连；

步骤S5.测量；

轻气炮发射飞片，利用飞片高速冲击实验样品的曲面波纹状结构，以实现在实验样品中产生扰动冲击波，利用所测得样品后界面运动过程中的频谱信号，利用傅里叶变换等方法得到样品后界面粒子速度随时间的变化规律，进而可描绘出冲击波波阵面的演化过程，进一步地，选择连续压力点进行多次测量，利用粒子速度与压力的定量化关系分析被测实验样品的相变。

实验例

在实测实验中，将金属铝作为实验样品，并将其加工成特定的形状（即前述所说的前界面呈曲面波纹状结构，后界面呈阶梯状结构）以满足实验装置要求。将实验装置固定于轻气炮的靶架上，利用铝飞片高速冲击实验样品，实测过程中，飞片的速度为1.51km/s。在实测实验中，其中一个测量光纤30所测实验信号图如图10所示，图10为该测量光纤30所对应实验样品后界面的频谱信号图，通过该图可以判断扰动冲击波到达该界面所对应的时间。

为了进一步对图10所示的频谱信号图进行处理，需要用傅里叶变换进行数学变换。傅里叶变换关系式为：

式中：w为变换频率，是变换后的函数变量；t为变换时间，是原函数的函数变量；

通过傅里叶变换可以得到实验样品后界面频率随时间变化的变换关系，如图11所示。利用图11可以得出实验样品后界面的粒子速度随时间变化的变换关系。对比多个压力值下的测量结果，可用于分析实验样品的相变。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。