电磁驱动实验技术及其加载下聚苯乙烯的动态行为研究

发布时间：2020-05-18 18:04

【摘要】：磁驱动加载可通过不同负载结构实现超高速飞片发射、准等熵压缩、柱面套筒内爆等加载,是一种可实现冲击、准等熵、冲击-准等熵等多热力学路径加载的实验技术,在极端条件下材料动力学、航天器防护超高速撞击地面模拟和高能量密度物理等领域研究中有重要应用。论文选题为电磁驱动实验技术及其加载下聚苯乙烯的动态行为研究,从应力波理论分析、磁流体动力学数值模拟和实验三个方面开展了磁驱动一维应变冲击加载精密物理实验技术和磁驱动小尺寸固体套筒内爆实验技术研究。在此基础上应用建立的磁驱动一维平面冲击加载精密实验技术,从实验、理论和数值模拟方面深入研究了高压、高应变率条件下聚苯乙烯的物理和力学性质。论文取得的主要进展和创新性结果有:1)基于CQ4装置发展和建立了磁驱动一维平面冲击加载精密物理实验技术,为材料的冲击加载动力学行为和超高速撞击现象实验和理论研究等提供了一种技术途径。基于自行研制的紧凑型脉冲功率装置CQ4的电参数特性,利用3D Ansoft Maxwell电磁场分析软件和LS-DYNA 980磁流体动力学模拟程序,深入分析了磁驱动平面负载结构的电磁和力热分布特性,提出了一种满足一维平面冲击加载的优化磁驱动负载电极结构,基于CQ4装置进行了磁驱动飞片速度、平面性和有效厚度等特性研究。实验结果显示,采用优化构型典型实验中初始尺寸10mm(宽)×0.7mm(厚)的飞片在7km/s速度时,其直径6mm内撞靶时间标准差小于11ns、有效厚度大于0.44mm。飞片应用验证实验中,冲击Hugoniot粒子速度不确定度不大于2%(k=2)、冲击波速度不确定度不大于4%(k=2),满足一维平面冲击加载精密物理实验要求。在此基础上,进一步优化负载电极结构,充分利用装置能力实现了将尺寸10×6×0.33mm的铝飞片发射至18km/s的超高速度。2)基于CQ7装置发展和建立了磁驱动小尺寸套筒内爆实验技术,实现了套筒压缩准静态磁场获得超高脉冲强磁场技术,为柱面压缩汇聚增压的材料超高压状态方程、新型磁约束聚变动力学过程研究建立了实验技术基础。依据新研制建立的脉冲功率装置CQ-7的电参数特性,利用电磁场模拟和套筒内爆动力学理论计算分析结果,设计并建立了基于固体介质绝缘的低电感、磁场分布均匀、加载可靠的磁驱动套筒内爆负载电极结构;研制了一种直径1.5mm、单点90°反射PDV测速探针,用于磁驱动小尺寸套筒内爆速度连续测量;建立了多点反射测速和激光阴影高速摄影套筒内爆均匀性测量技术。在此基础上,基于CQ-7装置开展了磁驱动套筒内爆速度和加载均匀性实验研究。结果表明,在装置同时放电、工作电压75 kV情况下将初始尺寸Φ7 mm×0.4 mm(外径×厚度)的铝套筒驱动至速度10.02 km/s以上。多点反射测速和激光阴影高速摄影结果显示磁驱动尺寸Φ7mm外径、0.4mm-0.5mm厚套筒内爆过程套筒保持良好的圆周性和均匀性,其中测点偏离圆周极值约0.030mm,套筒内表面光滑,边界清晰。采用磁驱动固体套筒压缩预置初始准静态磁场方法实现了脉冲强磁场压缩,在峰值8.84T、上升沿1ms的初始预置磁场下,获得了 357T的脉冲强磁场。3)利用发展和建立的磁驱动一维平面加载精密物理实验技术,从实验和理论上研究了高压、高应变率条件下聚苯乙烯的完全物态方程、动态屈服行为、折射率、有效极化率等物理力学特性,获得了一些新的科学认识,为其更好工程应用奠定了基础。a.基于Helmholtz自由能模型,建立了 500GPa压力范围内聚苯乙烯的三项式完全物态方程:采用分段处理分别描述聚苯乙烯离解相变前后状态的方法,建立了聚苯乙烯基于Helmholtz自由能模型的完全物态方程。利用磁驱动冲击和二次冲击压缩实验获得的Hugoniot和Re-shock数据确定了模型参数,获得的完全物体方程能很好的描述500GPa内聚苯乙烯的高压响应特性。通过比较自由能模型、混合物方法及由热力学关系近似计算的聚苯乙烯的冲击温度,结果表明获得的自由能模型能更好的描述聚苯乙烯的热动力学响应。b.获得了高应变率106/s下聚苯乙烯的动态屈服行为:实验获得了聚苯乙烯的Lagrangian声速和准等熵压缩线,声速在粒子速度200m/s内为非线性关系,粒子速度200m/s以上与粒子速度呈线性关系。采用弹塑性分析方法获得聚苯乙烯高压下的屈服强度,应变率约07×106/s时聚苯乙烯的初始屈服强度值为0.16GPa。在此基础上确定了聚苯乙烯Steinberg-Guinan强度模型参数,该本构模型能很好的描述和预测实验条件下聚苯乙烯的动态力学行为。采用材料实验机和分离式Hopkinson杆获得了聚苯乙烯的准静态和中应变率下的力学性能,得到了聚苯乙烯的屈服应力-应变关系。聚苯乙烯初始屈服强度有明显的应变率效应,但是屈服应力在高应变率范围未出现随应变率急剧增大现象,该现象可能由实验应变率范围内聚苯乙烯不存在β力学损耗峰导致。c.获得了聚苯乙烯在离解起始压力附近的折射率。结合完全物态方程、Lorentz-Lorenz方程、单振子模型,获得了聚苯乙烯的有效极化率、禁带宽度及驱动聚苯乙烯离解相变的主导因素:研究了冲击加载下聚苯乙烯的折射率和有效极化率,实验获得了聚苯乙烯在离解起始压力附近的折射率。结合完全物态方程、Lorentz-Lorenz方程、单振子模型,获得了聚苯乙烯的有效极化率、禁带宽度与压力、温度、密度的量化关系。聚苯乙烯的有效极化率从常态下的1.28×10~(-23)cm~3下降到30GPa压力时的0.98×10~(-23)m~3。最低能量间隙则在20GPa以上小于2eV,即小于很多半导体材料的禁带宽度。在聚苯乙烯离解后有效极化和最低能量间隙对温度上升比和密度或压力的变化更敏感,认为冲击加载中聚苯乙烯离解从绝缘到半导体这一转变过程主要是由温度上升引起。
【图文】：

图１．２磁驱动飞片冲击加载碳的状态方程研宄（Ｍ．邋Ｄ．邋Ｋｎｕｄｓｏｎ）逡逑

电磁驱动实验技术及其加载下聚苯乙烯的动态行为研究

图１．３国内ＣＱ装置磁驱动氋速飞片速度结果比较逡逑
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ325.2

【参考文献】