【摘 要】
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国内外对梯度复合材料的设计、制备及其应用研究进行了诸多探索,并在动态高压等领域已有相应的应用。随着测量技术的进步与更精确的状态方程的测量需求,人们发现梯度复合材料中存在的微结构、波阻抗突变会对加载波形产生误差,它阻碍着其在精确的动态物理实验方面的应用。本文以Al-Cu梯度复合材料的设计、流延热压一体化制备及其准等熵加载为研究目的,旨在通过梯度材料的波系作用,设计出可控应力的准等熵加载的Al-Cu梯
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国内外对梯度复合材料的设计、制备及其应用研究进行了诸多探索,并在动态高压等领域已有相应的应用。随着测量技术的进步与更精确的状态方程的测量需求,人们发现梯度复合材料中存在的微结构、波阻抗突变会对加载波形产生误差,它阻碍着其在精确的动态物理实验方面的应用。本文以Al-Cu梯度复合材料的设计、流延热压一体化制备及其准等熵加载为研究目的,旨在通过梯度材料的波系作用,设计出可控应力的准等熵加载的Al-Cu梯度复合材料,并通过研究流延热压一体化的方法制备的Al-Cu复合材料的动高压加载参数,指导制备出符合设计、平面度高、平行度高的Al-Cu梯度复合材料,获得应力应变率可控的准等熵加载波形,并将其在特定的物理条件下进行应用。基于梯度材料的波系作用,建立了对于不同靶材实现可控应力和可控应变率的准等熵加载方法。分析认为,梯度复合材料中单层材料的波阻抗以及厚度对于应力波的应力与应变率的设计结果的影响最大,设计的准等熵加载过程初始阶段伴随一个的冲击加载过程,其应变率达到10~7s-1,这是梯度材料准等熵加载过程固有的特征,随后会有多个从初始应力到达峰值应力的应力平台,该阶段应变率会在相对较宽的范围内波动。为了控制该阶段的应变率,调节Al-Cu梯度材料的波阻抗厚度分布以及缩小加载时间是最有效的方法。在使用Al-Cu梯度复合材料对Al靶材加载峰值应力到达5 GPa,加载时间为0.5μs时,通过调节波阻抗厚度分布只能使应变率控制在1.02×10~4s-1～9.21×10~4s-1相同数量级的范围内波动;而通过调节波阻抗厚度分布减小加载时间至0.2μs时,后续应变率可以控制在相对较窄的范围波动(8.86×10~4s-1～9.21×10~4s-1),从而实现可控的应变率加载。为了制备出波阻抗厚度分布可控的Al-Cu梯度复合材料,需要精确地控制微量相的物相以及含量。通过计算模拟以及表征其相关的微量相,发现Al-Cu复合材料的微量相主要为无定型C、Al-O纳米相以及Al2Cu金属间化合物。通过热膨胀系数的测量,判定Al-Cu梯度复合材料的最佳烧结温度为500℃。在该温度下,通过对比Al-Cu流延膜的实验厚度与理论厚度,发现其拟合系数为0.968,从而使厚度可控;实验所测的波阻抗值与经过物相修正后的波阻抗值的误差小于5%,从而使波阻抗可控;Al-Cu复合材料的压缩力学性能大于150 MPa,使其能够在准等熵加载应用中维持Al-Cu梯度复合材料的结构。采用流延热压一体化方法制备的Al-Cu梯度复合材料整体平面度较好,将其进行准等熵加载,加载时间约0.5μs,特征粒子速度曲线是典型的“冲击加载-斜波加载”曲线。通过厚度以及波阻抗的修正,使得Al-Cu梯度复合材料加载Al-Li F靶材的粒子速度曲线上的同一加载时间的应力值与修正值误差小于5%。其最佳波阻抗厚度分布所对应的应变率波动范围由设计的1.02×10~4s-1～9.21×10~4s-1减小为2.56×10~4s-1～9.21×10~4s-1。其准等熵加载路径首先通过Rayleigh线到达Hugoniot线上的一点,而后逐渐靠近等熵线,其过程的熵增是冲击加载的72%左右,第一层的加载过程的熵增约占总熵增的45%以上。为了研究Al-Cu梯度复合材料偏离于Hugoniot状态的加载路径在实际物理应用中的效果,本文采用Al-Cu梯度复合材料初步实现了对单晶Cu的层裂效应和单晶Fe的相变效应的准等熵加载应用,并结合分子动力学方法研究准等熵加载过程中由于偏离于Hugoniot状态而引起的物理效应新机制。
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