用于診斷材料微層裂的Asay窗技術(shù)＊

張 林，李英華，張祖根，李雪梅，胡昌明，蔡靈倉

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川綿陽621999）

用于診斷材料微層裂的Asay窗技術(shù)＊

張 林，李英華，張祖根，李雪梅，胡昌明，蔡靈倉

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川綿陽621999）

微層裂是沖擊波物理領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)問題，在工程上具有重要應(yīng)用價值。近年來用于診斷樣品多層層裂的傳統(tǒng)Asay窗技術(shù)被用于診斷微層裂，但對其診斷能力和信號特征認(rèn)識仍存在嚴(yán)重不足。為此，通過波系分析，揭示出在薄飛片擊靶的微層裂實驗中樣品破碎存在1個“痂片”特征區(qū)、2個微層裂特征區(qū)以及1個“殘體”特征區(qū)。實驗表明，在樣品窗口間隙合適的條件下，Asay窗不僅能夠有效區(qū)分這些不同特征分區(qū)，而且能夠靈敏探測樣品表面發(fā)射的高速微噴粒子，從而實現(xiàn)對樣品連續(xù)破碎過程的精密診斷。

Asay窗；波系分析；微層裂；沖擊波

認(rèn)識和理解材料在沖擊、爆轟或強(qiáng)激光輻照等條件下的動態(tài)損傷與破壞具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義，在國防和民用工程領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用價值。幾十年來，材料在固態(tài)下的動態(tài)損傷與破壞得到了廣泛關(guān)注，特別是層裂問題［112］。固體層裂可通過測量粒子速度剖面［1314］、應(yīng)力剖面［15］以及凍結(jié)回收樣品等進(jìn)行有效觀測［1］。但是在強(qiáng)三角波或Taylor波等缺乏支持的強(qiáng)沖擊波作用下，材料會發(fā)生一種更加極端的破壞。此時，材料在沖擊壓縮過程中會出現(xiàn)部分甚至完全熔化，當(dāng)沖擊波在材料自由面反射拉伸稀疏波時，由于材料的抗拉強(qiáng)度幾乎完全喪失，材料將連續(xù)破碎為大量的細(xì)小液滴，以云霧形態(tài)向外高速噴射。這種在沖擊熔化后發(fā)生的破碎現(xiàn)象稱為“微層裂”［16］。對于微層裂問題，固體層裂實驗中常用的VISAR（velocity interferometer system for any reflector）等激光干涉技術(shù)的作用非常有限，原因主要有兩方面：第一，強(qiáng)沖擊下沖擊波傳出樣品幾十納秒以內(nèi)材料表面便受到嚴(yán)重破壞，之后測試探頭將無法獲得有效的攜帶多普勒效應(yīng)的信號光，從而無法完成對破碎過程的有效診斷，特別是對于厚樣品而言（需要微秒量級的有效測量時間）；第二，即使在固體層裂實驗中，樣品自由面速度剖面測量也只能對單次層裂開展，無法診斷樣品的多層層裂（第2層及以后的層裂信息都被阻斷），而樣品的微層裂在形式上可視為連續(xù)的層層破碎，所以即使測得了有效的樣品自由面速度剖面，也難以獲得樣品內(nèi)部的破碎信息。正因為如此，當(dāng)前的微層裂實驗研究主要依靠照相技術(shù)（如X射線照相、質(zhì)子照相、可見光陰影照相等）和回收分析技術(shù)［1720］。通過X射線照相和質(zhì)子照相，不僅可以獲得產(chǎn)物形貌演化圖像，還可以提取質(zhì)量密度分布數(shù)據(jù)，但是受限于實驗室診斷光源品質(zhì)和動態(tài)模糊等問題，照相質(zhì)量以及密度分布反演精度有待提升。此外，回收實驗可能存在粒子的二次破碎，其統(tǒng)計價值也有待商榷。Asay窗是針對固體多層層裂問題建立的診斷技術(shù)［21］，其基本思想是通過在距樣品自由面一定間隙處設(shè)置窗口，利用激光干涉測速技術(shù)連續(xù)測量多層層裂片相繼撞擊窗口引起的窗口表面光反射信號的改變，反演分析樣品的多層層裂特性。L．Signor等［22］、陳永濤等［23］以及本課題組［24］曾嘗試?yán)肁say窗技術(shù)對微層裂問題進(jìn)行診斷，圖1為報道的典型速度剖面［2324］，其中d為樣品與窗口的間隙，v為彈速。圖1（a）中，速度剖面存在一定程度的雜亂干擾；而圖1（b）所示的剖面結(jié)構(gòu)特征較為簡單，缺乏特征變化。這不禁讓人產(chǎn)生疑問：Asay窗技術(shù)對于微層裂問題的診斷能力究竟如何，診斷能否有效揭示樣品微層裂的內(nèi)在過程？對此，我們開展了多發(fā)實驗，測得的速度剖面與圖1相比，具有更加豐富且明顯的結(jié)構(gòu)特征；波系作用分析表明，這些特征正是樣品微層裂破碎不同特征區(qū)的反映。本文中將對上述疑問在一定程度上給予澄清，同時證明優(yōu)化設(shè)計的Asay窗技術(shù)能夠為微層裂研究提供有力且靈敏的診斷。

圖1 較早報道的Asay窗診斷樣品微層裂時所測的速度剖面Fig．1 Earlier reported velocity profiles measured by Asay window in microspall experiments

1 Asay窗診斷實驗

圖2為實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。實驗在沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室的 30mm二級輕氣炮上進(jìn)行，由薄飛片對厚樣品進(jìn)行高速碰撞，實現(xiàn)樣品在強(qiáng)三角波加載下的微層裂破碎。飛片擊靶速度由DPS（Doppler pin system）測量，微層裂由Asay窗診斷。圖2中，Asay窗采用復(fù)合結(jié)構(gòu)（由薄、厚兩塊窗口疊加，并在疊加面上蒸鍍約1．0μm厚鋁膜）實現(xiàn)入射激光的反射，實際測量面是有限厚窗口的內(nèi)界面。在L．Signor等［22］的測試方案中，速度測量面位于Asay窗左端面（碰撞表面），激光的反射通過粘貼在窗口表面的金屬膜實現(xiàn)。這種測量方式存在明顯缺陷：若膜太薄，易遭受破壞，測量的可靠性無法保證，即使測到信號，其信噪比一般也較低；若膜太厚，則膜本身的響應(yīng)特性必須予以考慮，給實驗解讀增添了不利因素。實驗裝置的關(guān)鍵尺寸設(shè)計如下：彈托（Lexan聚碳酸酯） 30mm×10mm，飛片（無氧銅） 28mm×0．5mm，樣品（Sn） 22mm×2．5mm，Asay窗（LiF） 22mm×21．5mm（其中薄窗口厚1．5mm，厚窗口厚20．0mm）。實驗時，樣品窗口間隙d可調(diào)，其他實驗參數(shù)保持不變，用以分析間隙d對診斷效果的影響。原則上，如果該間隙過小，樣品微層裂產(chǎn)物顆粒撞擊Asay窗之前的運動時間較短，不同狀態(tài)的產(chǎn)物顆粒在時空上的分辨不夠明晰，導(dǎo)致產(chǎn)物顆粒的某些力學(xué)量分布信息無法測量與分析；反之，如果間隙過大，產(chǎn)物顆粒間距在撞擊Asay窗之前已被過度拉開，某些力學(xué)量的特征變化在診斷時可能被抹掉或淹沒在統(tǒng)計漲落與噪聲之中。

圖2 實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Experimental design

共進(jìn)行了5發(fā)實驗，實驗測量結(jié)果見表1，測得的Asay窗粒子速度剖面見圖3。表1中：df為飛片厚度，ds為樣品厚度。

圖3 實測的Asay窗粒子速度剖面Fig．3 Measured velocity profiles by Asay window for all experiments

表1 實驗參數(shù)及結(jié)果Table 1 Experimental parameters and results

2 結(jié)果與討論

表1所示的5發(fā)實驗中彈速最高達(dá)3．255km／s，最低為3．200km／s，平均值為3．241km／s，表明加載速度得到了很好的控制，可以近似認(rèn)為5發(fā)實驗中樣品的微層裂過程是一致的。利用自行編寫的流體動力學(xué)一維模擬程序以及我們早前建立的關(guān)于Cu和Sn的物態(tài)方程［25］，對樣品的沖擊壓縮過程進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示，Sn樣品的初始撞擊壓力最高達(dá)到73GPa，沖擊波傳出樣品自由面時的壓力接近64GPa，在整個厚度范圍內(nèi)樣品壓力均高于Sn的沖擊熔化壓力（約45GPa［25］），表明Sn樣品在沖擊壓縮過程中已完全進(jìn)入熔化狀態(tài)，之后所發(fā)生的破碎確屬于微層裂。

診斷的有效時間是實驗關(guān)注的重要問題。一般而言，引起窗口失效有3種可能：（1）沖擊波傳出窗口自由面后破壞了自由面的透光性；（2）反射稀疏波與追趕稀疏波相互作用致使窗口破壞；（3）邊側(cè)稀疏波相互作用致使反光膜紊亂甚至窗口破壞。圖3顯示，5發(fā)實驗中Asay窗測試的有效時間不足2μs，由于Asay窗的厚度達(dá)到20mm，依據(jù)LiF的Hugoniot數(shù)據(jù)（c0＝5．214km／s，λ＝1．336）［26］，估算沖擊波的傳播時間至少接近3μs，而Asay窗的直徑為22mm，邊側(cè)稀疏波到達(dá)窗口中心大約需要1．5μs，考慮到反光膜的破壞尚需一定的孕育時間，由此可判定實驗中Asay窗的測試有效時間主要由邊側(cè)稀疏決定。究其根源，主要在于輕氣炮的口徑有限。

比較5發(fā)實驗中Asay窗的測試剖面，發(fā)現(xiàn)在Shot 3（d＝1．0mm）、Shot 4（d＝3．0mm）和Shot 5（d＝5．0mm）的速度剖面前端均存在明顯的小幅信號，而Shot 1（d＝0．3mm）和Shot 2（d＝0．5mm）的速度剖面前端沒有或極不明顯。分析認(rèn)為，這部分信號是由沖擊波到達(dá)樣品自由面時引起的高速微噴粒子撞擊Asay窗產(chǎn)生的，屬于微噴信號，在此之后幅度較大的信號才屬于微層裂信號。Shot 1和Shot 2中沒有觀測到明顯微噴信號的原因在于間隙過小，微噴粒子與微層裂粒子到達(dá)Asay窗的時間間隔不夠長，導(dǎo)致微噴粒子碰撞Asay窗產(chǎn)生的積分效應(yīng)尚不明顯。在我們的Asay窗診斷中，觀測到了微噴信號，充分說明Asay窗診斷是靈敏的，可以利用Asay窗技術(shù)對破碎全過程（包含微噴和微層裂）進(jìn)行診斷，但間隙的選擇要適當(dāng)。參照Shot 3的結(jié)果，設(shè)置的間隙大小應(yīng)確保微噴信號持續(xù)100ns以上。

下面重點分析樣品微層裂包含的特征過程，并結(jié)合實驗結(jié)果考察Asay窗的實際診斷能力。圖4為本實驗的波系相互作用原理示意圖。飛片碰靶后，從O點分別向樣品和飛片發(fā)出右行和左行沖擊波OA和OB；左行沖擊波在B點反射一束追趕中心稀疏波，至A點追上樣品中的沖擊波，該沖擊波隨即衰減為三角波繼續(xù)向前傳播；三角波傳至C點到達(dá)樣品自由面并反射中心稀疏波，該稀疏波與追趕稀疏波相互作用致使樣品破碎，即發(fā)生微層裂。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，實際上樣品破碎存在著不同的特征分區(qū)。首先，對于最靠近自由面的C至D間的區(qū)域，由于自由面為零壓邊界，因此該區(qū)域?qū)⒈３止虘B(tài)，理論上會層裂為“痂片”，其厚度一般為數(shù)微米（與沖擊波寬度同量級）。在細(xì)觀不均勻性引起的復(fù)雜波系作用下，該痂片一般難以維持其層狀結(jié)構(gòu)，將破碎為顆粒。D至E間的區(qū)域則完全是由一維應(yīng)力波相互作用導(dǎo)致的破碎，破碎過程表現(xiàn)為一層緊接一層相繼發(fā)生，但是其破碎邊界實際沿著DF和EF兩條路徑傳播，并在F點相遇，即D至F以及E至F間的區(qū)域?qū)儆趦蓚€不同的破碎特征區(qū)。樣品的其他區(qū)域，即E至O間的區(qū)域，這里稱為“殘體”，不再發(fā)生微層裂，但是由于其處于熔化狀態(tài)，依據(jù)T．de Rességuier等［27］的研究，后繼在表面張力及邊側(cè)稀疏等作用下，同樣會破碎為較大的顆粒。

圖4 波系相互作用原理示意圖Fig．4 Wave interaction

以上分析表明，理論上樣品破碎會產(chǎn)生4個不同的特征區(qū)，分別為1個“痂片”特征區(qū)、2個微層裂特征區(qū)和1個“殘體”特征區(qū)。D．B．Holtkamp等［19］采用質(zhì)子照相技術(shù)對Sn樣品在接觸爆轟作用下的微層裂過程進(jìn)行了研究，清晰地觀測到總的微層裂區(qū)和“殘體”區(qū)（見圖5），但未能揭示出微層裂的細(xì)致分區(qū)。觀察圖3發(fā)現(xiàn)，Shot 1和Shot 2的速度剖面較完整地展現(xiàn)了樣品的破碎過程，其特征點T1～T5將剖面分為4個特征信號段，與圖4所示的各特征區(qū)相對應(yīng)：T1T2段為痂片特征區(qū)和微層裂DF特征區(qū)碰撞Asay窗產(chǎn)生的信號，T2T3為微層裂EF特征區(qū)產(chǎn)生的信號；T3T4為“殘體”對應(yīng)的信號；T4T5則為飛片碰撞Asay窗產(chǎn)生的信號。此結(jié)果表明，Asay窗技術(shù)能夠?qū)χ饕奶卣鲄^(qū)進(jìn)行有效分辨，但是對于痂片特征區(qū)則不夠靈敏。Asay窗未能有效診斷痂片特征區(qū)的原因可能是，痂片特征區(qū)太薄，其碰撞Asay窗的作用時間太短，致使作用積分效果不明顯。對比圖3中不同間隙的測量結(jié)果，Shot 1、Shot 2和Shot 3顯示，隨著間隙d的增加，后繼特征區(qū)對應(yīng)的剖面信號相對前面特征區(qū)對應(yīng)的信號呈現(xiàn)一定的爬升趨勢。這一特點應(yīng)如何理解？目前難以確定，需要通過理論建模和數(shù)值模擬深入分析。但是，Shot 5的結(jié)果則展示了問題的另一面，即當(dāng)間隙d增大到一定程度后，除了由于有效測試時間的限制不能實現(xiàn)完整測量以外，更重要的是樣品破碎各特征區(qū)的邊界特征出現(xiàn)模糊，不再清晰，因此正如之前的基本判斷，間隙d亦非越大越好，并且存在優(yōu)化區(qū)間。觀察本實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于2～3mm厚的樣品，若樣品自由面速度在數(shù)千米每秒，則優(yōu)化區(qū)間大約在0．5～3．0mm范圍。

圖5 爆轟加載下Sn樣品微層裂的質(zhì)子照相圖像［19］Fig．5 Proton radiography of microspall event of Sn by explosive loading［19］

3 結(jié) 論

Asay窗適用于微層裂問題的診斷，但目前關(guān)于其診斷能力、診斷信號特征及其所反映的微層裂內(nèi)在過程尚缺乏清晰認(rèn)識。通過將波系分析與實驗相結(jié)合，考察了Asay窗對于飛片擊靶導(dǎo)致微層裂破碎的診斷能力，分析了診斷信號的特征結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：樣品微層裂破碎存在1個“痂片”特征區(qū)、2個微層裂特征區(qū)以及1個“殘體”特征區(qū)。實驗結(jié)果表明，Asay窗對于樣品微層裂的診斷非常靈敏，除了由于“痂片”特征區(qū)太薄難以分辨外，其余幾個特征區(qū)均可以清晰地分辨。但是，診斷效果強(qiáng)烈依賴于Asay窗的優(yōu)化設(shè)計，特別是樣品與窗口的間隙尺寸，這些參數(shù)不僅影響有效診斷時間，更重要的是影響上述特征分區(qū)的辨析。另外，實驗還揭示Asay窗可以同時對微噴進(jìn)行有效診斷，并且同樣對Asay窗與樣品的間隙具有一定的要求，需要確保微噴信號持續(xù)約100ns以上。

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Asay window for probing the microspall of materials

Zhang Lin，Li Yinghua，Zhang Zugen，Li Xuemei，Hu Changming，Cai Lingcang

（National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621999，Sichuan，China）

Microspall is an essential problem in both theoretical investigation and engineering application in shock physics．The Asay window，originally developed to diagnose the multi－spall behavior of material，was recently employed to probe the microspall，but its ability for probing the problem calls for further demonstration，and the corresponding signal also needs further explanation．In this paper，wave propagation analysis indicates that the sample bearing microspall can be separated into several different characteristic regions，the experiments performed demonstrate that the Asay window can sensitively distinguish these regions as far as a reasonable experimental configuration is set up，and even the features of the micro jet particles can be detected．So the technique was proved of great value for dynamic fragmentation studies．

Asay window；wave propagation analysis；microspall；shock wave

O346．1國標(biāo)學(xué)科代碼：13015

A

10．11883／1001－1455（2017）04－0692－07

（責(zé)任編輯 王 影）

2015－11－30；

2016－04－27

國家自然科學(xué)基金項目（11272293）；國防基礎(chǔ)科研計劃項目（B1520132001）；沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室基金項目（9140C670301140C67283）；國家自然科學(xué)基金委員會－中國工程物理研究院NSAF聯(lián)合基金項目（U1230201）；中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金項目（2015B0101006）

張 林（1968－ ），男，博士，研究員，zhanglinbox＠263．net。