沖擊加載下石英玻璃對苯的沖擊相變誘導(dǎo)

陳源福，陳春彩，駱明輝

（閩南理工學(xué)院，福建泉州 362700）

苯作為典型的芳香化合物，其結(jié)構(gòu)與含能材料具有很高的相似性，而含能材料的應(yīng)用及其研究一直受人們的關(guān)注。其能量釋放特性及其控制途徑方面具有非常重要的應(yīng)用背景，它們所承載的能量在極短時(shí)間內(nèi)通過爆轟或爆燃方式被劇烈地釋放出來，以滿足某些特定工程目的對異常強(qiáng)大作功能力的需求，在釋放過程中的涉及到相變和新產(chǎn)物產(chǎn)生，而在這一釋放的過程物質(zhì)處于高溫高壓狀態(tài)，輕氣炮加載下條件物質(zhì)就可以在納秒的時(shí)間尺度提供這樣的條件，所以沖擊波加載成為研究此類問題的實(shí)驗(yàn)手段。

苯的相變動力學(xué)研究，在靜高壓下已經(jīng)有很多研究，得到了比較清晰的相變圖[1-4]，但在動高壓領(lǐng)域的相變還存在分歧，Walsh等[5]在爆轟加載下，利用光反射方法，在沖擊加載下對苯的透光性進(jìn)行觀察，他們實(shí)驗(yàn)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)苯的相變依據(jù)；后來Matsuda 等[6]在激光加載下結(jié)合共振拉曼光譜方法，發(fā)現(xiàn)在4.2Gpa 壓力時(shí)苯在25ns 發(fā)生液固相變；而在后來Root 和Gupta 小組[7]在光透射和拉曼光譜測量技術(shù)，在0.6-13Gpa 范圍內(nèi)沒有觀察到苯的液固相變，并分析Matsuda 等的研究結(jié)果是由于受到邊側(cè)稀疏波的影響，造成壓力不均勻而對實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的誤差。國內(nèi)在前些年程小理等[8]利用光透射方法在多次沖擊加載下觀察苯的透射率的變化，發(fā)現(xiàn)苯在第二次沖擊壓力在1.91Gpa 時(shí)發(fā)生了相變，而趙北京等[9]在二級輕氣炮結(jié)合瞬態(tài)拉曼光譜測量技術(shù)在單次沖擊加載下苯在13Gpa下發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。因此，苯的高壓相變研究還有必要作進(jìn)一步的探討。文獻(xiàn)[10-11]發(fā)現(xiàn)石英玻璃對水的沖擊相變有著促進(jìn)作用，而石英玻璃對苯的沖擊相變是否有類似的作用，需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

實(shí)驗(yàn)原理的示意圖如圖1所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置主要包含四個(gè)部分，炮管、彈丸、靶和光透射測量系統(tǒng)，彈丸由一級輕氣炮加載，其速度由安裝在出射口的磁測速裝置測得[12]，激光光源隱藏在彈丸之中，彈丸碰到靶面時(shí)光源接通，光依次通過飛片、基板、樣品、窗口，最后由收集光纖進(jìn)入多通道高溫計(jì)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號再由數(shù)字示波器記錄，實(shí)驗(yàn)中通過記錄光透射率的變化情況來判斷苯的結(jié)構(gòu)相變。飛片、基板、窗口的厚度分別為Φ30×12mm、Φ40×4mm、Φ30×12mm，密度為2.21g/cm3的石英玻璃。樣品苯夾在石英基板和石英窗口之間，由于樣品與石英玻璃的沖擊阻抗不同，沖擊波可以在基板與窗口之間來回反射，而對樣品進(jìn)行多次沖擊[13]，樣品的壓力和溫度由阻抗匹配法計(jì)算得到[14]。樣品苯的Hugoniots關(guān)系：Us=1.50+1.67Up[15]。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖2所示為實(shí)驗(yàn)1測量結(jié)果，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱軸為光強(qiáng)度的電壓，t0為光源出光時(shí)刻，t1為樣品受到第二次沖擊的時(shí)刻，其彈丸速度為0.430 km/s，樣品厚度為1.291 mm。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出樣品光的透射率在第一次沖擊過程中保持不變，但當(dāng)沖擊波到達(dá)窗口界面后反射對樣品進(jìn)行第二次沖擊加載時(shí)光的透射率開始發(fā)生下降，隨后在多次沖擊加載下，光的透射率隨著壓力和溫度的升高而下降變得更加明顯。從相圖[2-3]來看，第一次沖擊的壓力為0.77 GPa、溫度為427 K，還在液相區(qū)，而第二次沖擊壓力1.64 GPa、溫度484 K，已經(jīng)在苯Ⅱ相區(qū)，其光的透射率也開始下降，說明樣品的結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始發(fā)生了變化。光的透射率隨著驅(qū)動力的作用不斷在變化，但這樣的變化是發(fā)生在體積內(nèi)還是界面處，值得去驗(yàn)證。為此我們用20 um的有機(jī)玻璃膜把樣品與石英玻璃隔開進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)2，其飛片的速度為0.480 km/s,樣品厚度為2.909 mm，通過熱力學(xué)計(jì)算，樣品在第二次沖擊壓力為1.63 GPa，溫度為498 K,已跨入苯的固相區(qū)，但從實(shí)驗(yàn)2結(jié)果中光的透射率在光源工作的時(shí)間內(nèi)都沒有出現(xiàn)明顯的下降，如圖3所示。通過兩次實(shí)驗(yàn)對比說明苯在多次沖擊加載下發(fā)生的相變與石英玻璃有著直接的關(guān)系。分析認(rèn)為石英玻璃表面呈現(xiàn)負(fù)電性，存在弱電場的作用，使得在石英玻璃的表面的苯的氫鍵有序排列，為苯在沖擊加載下的相變提供有效成核條件，在驅(qū)動力的作用下在石英玻璃界面處發(fā)生了固相變化。

圖2 實(shí)驗(yàn)1光的透射率隨時(shí)間變化

圖3 實(shí)驗(yàn)2光的透射率隨時(shí)間變化

3 結(jié)論

在級輕氣炮加載過程中采用光透射測量技術(shù)對夾在石英玻璃之間的樣品苯進(jìn)行在線觀察，通過觀察光的透射率變化來對苯的相變進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，苯在多次沖擊加載中沖擊波到達(dá)石英玻璃窗口界面反射對樣品第二次加載時(shí)光的透射率開始發(fā)生變化，而樣品在與石英玻璃沒有接觸時(shí)，光的透射率沒有發(fā)生變化，表明石英玻璃對苯的沖擊相變起誘導(dǎo)作用。這將對苯的沖擊相變機(jī)理的進(jìn)一步研究提供重要的信息。

致謝：本實(shí)驗(yàn)在西南交通大學(xué)高溫高壓科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室張明建和薛學(xué)東老師等協(xié)助完成，在此表示感謝。