極強的衝擊波(即激波)在介質(主要指固體)中傳播時,會使介質的壓力、密度、溫度等狀態參量發生急劇變化。這種狀態稱為動態超高壓狀態,產生強衝擊波的技術稱為動態超高壓技術。
動態超高壓技術及其理論是在第二次世界大戰後期發展成熟的。它的任務通常是研究固體靶在動態超高壓(壓力達100千巴以上,1巴等於105帕)條件下的力學性質。在這種情況下,靶材料的剪切剛剛度對它們力學響應特性的影響可忽略不計。產生強沖擊波的方法主要有:①接觸爆炸法;②高速碰撞法;③能量快速沉積法;④沖擊波馬赫反射法。
接觸爆炸法 利用爆轟的高溫高壓產物對其周圍介質的膨脹作功,產生巨大的沖擊作用。化學炸藥與固體靶接觸爆炸(裝置見圖1)時,在靶中能產生數十千巴到數百千巴的沖擊壓力。核爆炸比化學炸藥爆炸猛烈得多。在封閉式核爆炸條件下(裝置見圖2),核爆炸的高溫產物也對周圍介質產生巨大的沖擊壓力。一個兆噸級TNT當量的核爆炸,在鄰接爆室壁的被研究樣品中約可產生數兆巴到20兆巴的沖擊壓力。另外,如果用核爆炸產生的中子去引發相距不遠的235U,也可以在貼緊鈾塊的固體材料中產生強沖擊波。美國的C.E.拉根(第三)等就用這方法在鉬樣品中產生瞭20兆巴壓力的沖擊波(裝置見圖3)。
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高速碰撞法 高速彈丸與靜止靶相碰,可以在靶中產生強沖擊波。當靶材料一定時,碰撞面上的壓力p同彈丸密度ρ、彈丸速度v的關系如下:p∝ρv2。加速彈丸的方法主要有氣炮加速法和爆炸加速法。
氣炮裝置一般由高壓室、快門機構(活塞頭或膜片)、發射管、彈丸等組成(圖4)。
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能量快速沉積法 在激光、電子束或核爆炸產生的強X射線等高功率輻照源的照射下,固體靶表面的一薄層物質會在能量快速沉積作用下迅速加熱,因而產生一個向深處的“冷”靶內傳播的強沖擊波(見粒子束爆炸)。已發表的資料多數是脈沖電子束的實驗結果,其壓力從數十千巴到一兆巴左右。另外,根據美國的R.J.特雷納等人的分析,利用激光裝置Shiva(能量104焦耳,激光脈沖半寬度1納秒),可望在氘、氫化鋰、鐵和鈾中產生50~100兆巴的沖擊壓力。
沖擊波馬赫反射法 如果采取措施使利用上述方法產生的強沖擊波形成馬赫反射(見空中爆炸),可以提高沖擊壓力。蘇聯的Л.В.阿爾特舒勒等人提出瞭如圖9所示的高壓裝置。實驗中,用420千巴的平面入射沖擊波,在鐵靶中發生馬赫反射,產生1.71兆巴的高壓(在馬赫波區);當入射波壓力提高到1.7兆巴時,鐵靶中馬赫波後的壓力為6兆巴。法國的德博蒙等人還設計成錐形會聚沖擊波的馬赫反射高壓裝置(圖10):銅飛片在爆轟產物推動下,同時撞擊一錐形靶表面,在靶中產生錐形會聚沖擊波,並在中心軸的部位上發生馬赫反射。他利用這個裝置,分別在鈾和銅中產生15兆巴和12兆巴的壓力。
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動態超高壓技術在物態方程測量、人工合成新材料(如金剛石)、地球內部結構研究、沖擊引爆機理、隕石成坑及對空間飛行器的破壞,以及穿甲、侵徹、爆炸加工等研究工作中是一項重要技術,被廣泛應用於固體物理、天體物理、地球物理、固體化學、爆炸力學、軍事科學等學科以及許多工業技術的研究工作中。
參考書目
R.S.Bradley,ed.,High Pressure Physics and Chemistry,Vol.2,Chap.9,Academic Press,New York,1963.
P.C.Chou and Hopkins,ed.,Dynamic Response of Materials to Intense Impulsive Loading,Chap.8,p.405,U.S.A.,1973.