飛秒激光驅(qū)動超高應變率加載下鋁材料的層裂特性

辛建婷，席 濤，范 偉，何衛(wèi)華，李 綱，趙永強，稅 敏，儲根柏

（中國工程物理研究院激光聚變研究中心等離子體物理重點實驗室, 四川 綿陽 621999）

層裂是指在沖擊加載下，因受運動方向相反的兩個稀疏波拉伸作用而使材料瞬間形成層狀裂片的現(xiàn)象。早在1914 年，Hopkinson 就在實驗中觀測到了層裂現(xiàn)象，鑒于層裂在諸多工程問題中的重要應用，長期以來受到科研工作者們的廣泛關(guān)注。從20 世紀60 年代至今，科學家利用各種實驗手段和理論分析方法對層裂過程進行了大量深入的研究。層裂現(xiàn)象涉及的材料動力學問題非常復雜，材料的加工歷史、細觀結(jié)構(gòu)和初始缺陷、加載應變率及應力歷史、材料溫度等多種因素交織在一起，影響材料層裂損傷的發(fā)生和發(fā)展，決定層裂損傷過程的特性，其中加載應變率對層裂損傷的影響尤為重要。已有的研究表明，不同加載應變率對層裂損傷演化過程中的成核速度、裂紋形態(tài)等會造成顯著影響，最終導致層裂片厚度、層裂強度等存在差異。鑒于高速碰撞等極端壓縮過程中超高應變率材料動態(tài)破壞研究的迫切需求，109～1010s?1應變率條件下材料的層裂損傷特性、規(guī)律和機制研究已成為極端條件下材料動態(tài)響應研究的重要內(nèi)容，在工程應用和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域均有重要意義。

Whiteman[1]和Skidmore[2]較早開始關(guān)注應變率對材料層裂強度的影響，采用不同飛片碰撞，產(chǎn)生102～103s?1加載應變率條件，通過層裂實驗樣品的回收分析，獲得了材料完全層裂的閾值，研究結(jié)果顯示，在102～103s?1應變率范圍內(nèi)，材料完全層裂強度與應變率的平方根成線性關(guān)系。早在1980 年，中國工程物理研究院流體物理研究所就開始采用強激光、炸藥爆轟及氫氣炮等加載方法開展了105～108s?1應變率條件下材料層裂特性隨應變率變化的研究[3-5]，并首次觀測到鋁、鈦等不同性質(zhì)材料沿晶界由微孔洞合并而形成的延性裂紋，該現(xiàn)象僅在高應變率條件下出現(xiàn)。同時，實驗結(jié)果還證實，隨著應變率的增大，材料層裂強度也會增大。

隨著研究的不斷深入，109～1010s?1超高應變率條件下材料層裂損傷演化規(guī)律的實驗研究也逐步開展起來。2001 年，Tamura 等[4]利用皮秒和飛秒激光開展了超高應變率載荷下鋁材料層裂特性的研究，測量了回收樣品的層裂片厚度，發(fā)現(xiàn)層裂片厚度與靶厚度成線性關(guān)系。Cuq-lelandais 等[5]在Tamura 等的研究基礎(chǔ)上，利用激光干涉測速技術(shù)（laser interferometer velocimetry，VISAR）對實驗樣品的自由面速度剖面進行了測量，希望根據(jù)層裂樣品自由面速度剖面特征對材料發(fā)生層裂損傷的過程進行分析，然而研究發(fā)現(xiàn)VISAR 診斷的時間分辨率不足以反映飛秒激光驅(qū)動沖擊加載下的超快過程。2013 年，俄羅斯Ashitkov 等[6-9]在飛秒激光沖擊加載下材料層裂特性研究中采用了頻譜干涉超快診斷技術(shù)，測量了樣品的自由面速度剖面，并獲得了超高應變率條件下鐵、鋁等材料的層裂強度，結(jié)果表明，在109～1010s?1應變率條件下，材料的實驗層裂強度與理論層裂強度接近。該結(jié)果與Cuq-lelandais 等[5,10-11]在類似實驗研究中給出的結(jié)果的差異較大，分析認為可能是由于樣品厚度和材料微結(jié)構(gòu)是較敏感的因素。總之，目前開展的109～1010s?1超高應變率條件下的材料層裂研究，由于實驗加載和診斷技術(shù)存在較大難度，通過實驗方法獲取層裂損傷過程的研究數(shù)據(jù)非常有限，尚未建立規(guī)律性認識。

本研究將開展飛秒激光驅(qū)動沖擊加載下鋁材料的層裂實驗，采用自主設(shè)計并搭建的超快啁啾頻域干涉系統(tǒng)，測量鋁材料的自由面速度剖面，獲取109s?1應變率下鋁材料的層裂強度，并對鋁材料層裂強度隨應變率的變化規(guī)律進行分析。

1 實驗方法

飛秒激光驅(qū)動的超高應變率條件下鋁材料的層裂特性研究實驗是在中國工程物理研究院激光聚變研究中心等離子體物理重點實驗室的45 TW 飛秒激光裝置上開展的。實驗采用飛秒激光直接驅(qū)動沖擊加載鋁樣品，根據(jù)沖擊加載下鋁樣品層裂發(fā)生與自由面速度剖面之間的關(guān)系，通過基本力學圖像對超高應變率下的材料層裂現(xiàn)象進行宏觀研究，同時回收層裂損傷樣品進行分析，對鋁材料層裂損傷剖面進行直觀觀測。

在超短飛秒激光驅(qū)動沖擊加載下，鋁樣品的動態(tài)響應是一個超快過程，為了實現(xiàn)樣品自由面速度剖面測量，自主設(shè)計并搭建了啁啾頻域干涉超快測量診斷系統(tǒng)[12-13]，圖1 為實驗加載及診斷排布示意圖。

圖1 鋁材料層裂實驗示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the aluminum spallation experiment

采用飛秒激光束對樣品進行直接加載，飛秒激光束的脈沖寬度為35 fs，中心波長為800 nm，光譜寬度為40 nm。飛秒激光束分為兩束：一束為加載束，經(jīng)過透鏡聚焦，作用在靶樣品上，加載光斑直徑為1 mm，加載激光束能量為1 mJ，實驗中通過能量計對其進行測量；另一束為診斷束，進入啁啾頻域干涉系統(tǒng)，用于測量樣品的自由面運動過程。超快啁啾頻域干涉系統(tǒng)主要由馬赫-曾德爾干涉儀和光譜儀組成，其具體診斷原理和光路設(shè)計參考文獻[12-13]。實驗診斷過程中兩束攜帶自由面位移信息的干涉光束進入光譜儀狹縫，光譜儀記錄干涉條紋。每發(fā)實驗需記錄激光加載前靜態(tài)時樣品的干涉條紋和激光加載沖擊波波破自由面發(fā)生位移后的干涉條紋，通過對干涉條紋進行傅里葉變換，解讀診斷中心區(qū)樣品的自由面位移曲線。啁啾頻域干涉測量系統(tǒng)的單發(fā)次診斷時長為240 ps，時間分辨率為2.4 ps，自由面位移診斷空間分辨率好于5 nm。

實驗樣品為純鋁，樣品厚度760 nm。鋁樣品通過蒸鍍方法制備在厚度為100 μm 的石英基底上。采用白光干涉儀測量鋁樣品的厚度，其厚度測量偏差為±7 nm。實驗中的飛秒激光通過石英基底作用在鋁樣品表面上，驅(qū)動超短脈寬沖擊波在樣品中傳播。沖擊波波破時，樣品自由面發(fā)生位移，位移量僅為納米量級。通過對該位移過程進行動態(tài)診斷，反演樣品的自由面運動速度剖面，并根據(jù)層裂的發(fā)生與自由面速度剖面之間的關(guān)系分析層裂過程。

2 實驗結(jié)果和分析

通過能量為1 mJ 的飛秒激光脈沖對厚度為760 nm 的鋁樣品進行加載，加載中心區(qū)激光能量密度為1.04 J/cm2。由啁啾頻域的干涉診斷光束對激光加載中心區(qū)對應的樣品自由面區(qū)域進行診斷。圖2為啁啾干涉測量獲得的鋁樣品自由面的位移隨時間相移數(shù)據(jù)，橫坐標為頻譜相移，縱坐標為光譜儀狹縫掃描方向相移，該方向與樣品自由面位移區(qū)域的x軸方向一致。圖3 為4 發(fā)次鋁樣品的自由面位移隨時間變化曲線，不同顏色曲線代表不同發(fā)次的樣品自由面頻譜相移?？梢钥闯觯谙嗤虞d條件下，不同發(fā)次診斷獲得的樣品自由面的首次位移起跳具有較好的重復性，但其位移隨時間的變化相差較大，推測應該是由于樣品厚度差異導致的。

圖2 鋁樣品自由面位移時頻譜相移Fig. 2 Phase shift data of shocked Al sample

圖3 鋁樣品自由面位移隨時間的變化曲線Fig. 3 Free surface displacement history curves of Al samples obtained by multiple experiments

以第3 發(fā)次實驗為例，獲取的樣品自由面位移曲線和速度剖面如圖4 所示。實驗樣品厚度為760 nm，飛秒激光脈寬為35 fs，能量為1 mJ，功率密度為2.9×1013W/cm2。圖4(a)所示的自由面位移曲線是根據(jù)頻域相移通過解譜分析得到的。首先由曲線獲得樣品自由面運動的啟動時間，根據(jù)該啟動時間計算鋁樣品中飛秒激光驅(qū)動沖擊波的平均運動速度。對樣品自由面位移曲線微分，得到樣品的自由面速度剖面，如圖4(b)所示。ufs為樣品自由面速度， Δt為樣品自由面一次起跳和二次起跳之間的時間差。

圖4 飛秒激光加載下鋁的自由面位移曲線(a)和速度剖面(b)Fig. 4 Displacement curve (a) and velocity profile (b) of Al sample on free surface loaded by femtosecond laser

2.1 應變率分析

2.2 樣品內(nèi)的加載壓強分析

2.3 超高應變率條件下鋁材料的層裂強度分析

在材料層裂損傷過程的研究中，作為工程上非常關(guān)心的問題，層裂強度被賦予了重要意義，可以通過層裂強度表征材料在特定條件下的抗拉伸能力。目前，計算材料層裂強度的通用方法是，依據(jù)自由面速度剖面，在聲速近似條件下給出鋁的層裂強度

根據(jù)式(9)對厚度為760 nm 鋁膜在2.9×1013W/cm2激光功率密度條件下的第3 發(fā)次實驗結(jié)果進行計算分析，得到鋁材料在3.6×109s?1應變率條件下的層裂強度約為7 GPa。對本實驗中全部發(fā)次數(shù)據(jù)進行層裂強度計算，得到實驗中鋁材料層裂強度的平均值為6.89 GPa。

圖5 為本實驗中飛秒激光加載下獲得的層裂強度數(shù)據(jù)與早期獲取的104～108s?1應變率下的實驗及計算數(shù)據(jù)[15]對比，可以發(fā)現(xiàn)，隨著應變率的增大，材料的層裂強度明顯增大。對文獻[15-21]中104～108s?1應變率下鋁材料的層裂強度與本實驗中109s?1應變率下的層裂強度數(shù)據(jù)規(guī)律進行對比分析，發(fā)現(xiàn)鋁材料的層裂強度隨應變率的增大呈指數(shù)增大，如圖5 中藍色虛線所示，鋁的層裂強度與應變率的關(guān)系符合 σspall=1.14+0.003ε˙0.3。

圖5 鋁材料層裂強度隨應變率的變化Fig. 5 Variation of spalling strength of aluminum with strain rate

2.4 實驗樣品回收分析

在動態(tài)診斷實驗基礎(chǔ)上，開展了厚樣品的層裂實驗，并對回收的層裂破壞樣品進行顯微觀察。回收的鋁樣品厚度為30 μm，該厚度的鋁膜能夠?qū)崿F(xiàn)自支撐，通過夾具夾持在靶架上。鋁樣品的純度為99.99%。實驗在真空中開展，飛秒激光聚焦后直接作用在鋁膜上，激光光斑直徑約為1 mm，飛秒激光能量為200 mJ。實驗后回收鋁膜，對鋁膜的層裂破壞區(qū)樣品進行制樣，并進行顯微觀測。

圖6 為鋁樣品層裂損傷區(qū)的顯微圖像。從圖6 中可以看出，未完全斷裂飛出的層裂片脫離鋁樣品形成了一個薄層；而斷裂區(qū)域的形貌規(guī)則平整，初步認為該形貌是由大量孔洞合并連接后在邊界處形成的斷裂。將回收樣品進行制樣和磨樣，觀測樣品的層裂區(qū)剖面，如圖7 所示，測量得到層裂片的厚度約為6.6 μm。

圖6 鋁樣品層裂片的顯微圖像Fig. 6 Microscopic images of spall layer of Al sample

圖7 鋁樣品層裂區(qū)剖面的顯微圖像Fig. 7 Section microscopic images of spallation zone of Al sample

3 結(jié) 論

開展了飛秒脈沖激光驅(qū)動沖擊加載下鋁材料在超高應變率條件下的層裂實驗，搭建了啁啾頻域干涉超快診斷平臺，單發(fā)次測量時長為240 ps，時間分辨率為2.4 ps，能夠?qū)崿F(xiàn)樣品自由面位移診斷精度為2～3 nm。根據(jù)層裂發(fā)生與自由面速度剖面之間的關(guān)系，分析飛秒激光加載下鋁材料的層裂特性，實驗中自由面附近的加載壓強達到7.37 GPa，加載應變率為3.0×109s?1。通過層裂強度的聲速近似公式，計算得到鋁材料的層裂強度約為7 GPa，與104～108s?1應變率下鋁材料的層裂強度數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明，鋁材料的層裂強度隨著加載應變率的增大呈指數(shù)增大。