偏Hugoniot状态下93钨状态方程*
黄海军1，聂新卫1，冷春蔚1，冯 磊1,胡晓军1， 罗国强2,沈 强2，王传彬2
【摘 要】摘要:利用动高压实验装置二级气体炮和5层阻抗梯度飞片，在2.12和5.02 km/s的碰撞速度下测量了93钨样品的自由面速度，同时基于冲击波理论对实验测量的自由面速度进行了解读。高温高压下93钨的偏Hugoniot状态方程分析表明，在较低的碰撞速度下多次压缩后93钨的压强和温度要高于单次Hugoniot压缩的压强和温度，而在较高的碰撞速度下截然相反，其主要原因是93钨在多次加载过程中Hugoniot参数和相对压缩性发生了变化。 【期刊名称】高压物理学报 【年(卷),期】2017(031)005 【总页数】7
【关键词】关键词:偏Hugoniot状态方程；多层阻抗梯度飞片；93钨；高温高压
1 引 言
在高压物理等研究领域中，一维应变平面冲击波加载技术作为一种成熟的高压技术手段已经被广泛应用于高温高压状态方程测量。在冲击波加载技术中，材料是从初始状态经过冲击压缩“跃变”到终态，这些终点状态压强(p)与密度(ρ)的连线就是通常的Hugoniot线[1]。但是Hugoniot线不能反映材料从初始状态压缩至终态的动力学过程，某些热力学状态量也不能通过冲击压缩得到，因此偏Hugoniot状态下材料的物性研究就显得尤为重要。准等熵加载技术为偏Hugoniot状态方程的研究提供了重要的方法和途径。相对于冲击压缩过程而
言,准等熵压缩是在靶中产生具有缓慢上升前沿的压缩波[1],靶中的加载波阵面被展宽,从而使样品能够从初始状态连续地加载到终态。
从20世纪60年代，国内外先后展开了一系列的准等熵压缩技术研究。Barker[2]通过二级轻气炮驱动多层组合飞片平面撞击钽样品，对6061-T6铝的准等熵压缩线进行了研究。Chhabildas等[3]利用渐变密度“Pillow”飞片技术测量了钨的准等熵压缩线，发现铝和钨的应力-应变曲线在低应力区位于冲击压缩线之上，在超过10 GPa和140 GPa,铝和93钨的准等熵压缩线位于冲击压缩线之下。丁峰等[4]利用多层组合飞片对铜的准等熵压缩线进行了研究，也发现了类似的现象，认为这与材料的屈服强度有关[4-5]。材料屈服强度依赖于加载速率,冲击加载速率高,温度就越高,温度软化效应就越明显,以致屈服强度下降。准等熵加载过程的加载速率明显低于单次Hugoniot冲击加载速率，样品的总体加热也不如冲击加热强，因此准等熵压缩在较低应变时其压强高于相同密度下的单次Hugoniot压强。Asay等[6]提出了磁驱动准等熵加载技术，利用脉冲电流与其自身磁场相互作用产生压强，并在400 GPa压强范围内实现了对无氧铜的准等熵压缩。Wang等[7]利用磁驱动准等熵加载技术可成功实现110 GPa的准等熵测量，发现铝和铜的准等熵压缩线在40 GPa压强范围内低于Hugoniot压强[8]，并且磁驱动准等熵状态下铝和铜屈服强度低于Hugoniot冲击状态下的屈服强度[7-8]。由此可见，利用多层阻抗梯度飞片实现准等熵加载时，在低压下准等熵压缩线高于Hugoniot线并不一定是由材料的强度引起的。
为了对上述问题做进一步研究，我们利用5层阻抗梯度飞片，在二级气体炮上对93钨样片的自由面速度剖面进行了测量，并在前期的工作基础上[9]，对偏
Hugoniot状态下的压强、密度、温度等物理量进行分析。
2 自由面速度理论分析及实验测量
阻抗梯度飞片由武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室制备，由MB2/Al/TC4/Cu/93W (镁合金/铝/钛合金/铜/钨合金)材料经烧结焊接等工艺制备而成。各层厚度分别为1.2/0.6/0.4/0.4/4.0 mm。样品为93钨，厚度分别为1.4和3.3 mm。高速碰撞实验在中国工程物理研究院流体物理研究所的二级气体炮上进行。自由面粒子速度由VISAR(激光速度干涉仪)进行测量。 图1为二层阻抗梯度飞片击靶过程波系分析图。实线为冲击波传播路径，点线为碰撞前的界面，而虚线为碰撞后的界面，点划线为稀疏波的传播路径。 自由面粒子速度分析方法曾在文献[9]中论述并与实验数据对比证明其可靠性。当一个以速度W运动的二层阻抗梯度飞片与静止靶板碰撞后，将在碰撞面的两边产生两个传播方向相反的冲击波Df1,1和Dt,1，下标“t,1”、“f1,1”分别表示靶、飞片1受到1次加载。从冲击波关系出发，可以直接写出如下关系式[10]
Dt,1=Ct,0+λt,0ut,1 (1)
pt,1=ρt,0Dt,1ut,1 (2)
-Df1,1-w=-Cf1,0+λf1,0uf1,1-w (3)
pf1,1=ρf1,0-Df1,1-wuf1,1-w (4)
偏Hugoniot状态下93钨状态方程
