冲击波加载下微米金属颗粒的微喷射特性研究

【作者】 赵信文； 李欣竹； 王学军； 宋萍； 张汉钊； 吴强；

【机构】 中国工程物理研究院流体物理研究所,冲击波物理与爆轰物理重点实验室；

【摘要】 存在微缺陷结构的金属材料(如表面车削痕、空泡、杂质等),在强冲击加载作用下会喷射出少量高速颗粒态物质,即所谓的金属微喷射现象。该现象常发生在强冲击动力学过程中,影响众多技术应用及关键物理过程。例如,在激光驱动惯性约束聚变(ICF)内爆过程中界面不稳定诱导的混合是影响聚变点火成功的关键因素。在极端条件下的界面测试中,微喷射过程的产生会极大影响如高速摄影技术、激光位移干涉测速技术、界面测温技术等的测量精度,甚至直接掩盖被测界面信息而无法获得有效数据。对金属微喷射问题的深入研究,在国防相关领域关键技术应用中具有重要意义。在微喷射研究中,通常采用的爆轰加载沾粉基板模拟微喷射过程的实验技术,由于其状态相对简单可控、实验精度高,常被国内外研究者用于相关测试技术和物理模型的精度校验研究。然而,在利用沾粉实验标定诊断技术精度、校核物理模型时,通常忽略了基板-颗粒相互作用、颗粒的气动加热、颗粒群效应等,这种物理过程在高压加载下会愈加显著,不恰当的简化可能会严重影响实验精度。为了获得高精度的实验数据,对这一复杂相互过程的深入研究是非常必要的。本文基于化爆驱动飞片加载沾粉基板的模拟微喷射实验技术,研究了四种不同尺度锡颗粒的喷射特性,利用任意反射面位移干涉激光测速技术(DISAR)测量不同颗粒尺度锡粉的最快喷射速度,以及颗粒在标准大气中的减速规律。实验结果表明,沾粉颗粒的最快喷射速度显著依赖于颗粒尺度,并且随颗粒尺度增大而明显增大。同时本文对冲击加载沾粉基板后喷射的形成过程进行了定性模拟,发现加载冲击波与金属表面多颗粒之间缺陷结构的相互作用诱导了喷射过程的产生,缺陷结构越大,喷射越强,这也解释了最快喷射速度随颗粒尺度变化的原因。该研究对于预测和分析冲击波加载下的微米颗粒的喷射特性具有明显意义。更多还原