钒的高压声速测量.pdf

物 理 学 报Ac t a Ph y s S i n V o 1 6 3 No 2 2 0 1 4 0 2 6 2 0 2 钒的高压声速测量冰 俞宇颖十 谭叶 戴诚达 李雪梅 李英华 谭华 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 绵阳 6 2 1 9 0 0 2 0 1 3 年 7 月2 7日收到 2 0 1 3 年9 月3日收到修改稿 采用反向碰撞方法进行了钒冲击实验 利用激光干涉测速技术对V L i F窗口界面粒子速度剖面进行测 量 通过对粒子速度剖面的分析获得 了3 2 8 8 G P a 压力范围内钒 的高压声速 实验获得的声速 一 冲击压力关 系在约 6 0 G P a 存在间断 表明钒发生了冲击相变 相变压力与静高压实验结果及第一性原理计算结果基本一 致 关键词 声速 相变 冲击加载 钒 PACS 6 2 5 0 EF 6 1 5 0 Ks 6 4 7 0 p 引 言 金属钒具有 良好的热学 力学特性和化学稳定 性 因此在工业领域有着广泛 的应用 国内外对金 属钒的物理 力学等行为已进行了大量研究 其中 高压相变 问题是近期的研究热点 早期的研 究通 常认为 金属钒 的体心立方 晶 格结构 在极 高的压 力下都是稳 定的 1 2 0 0 7年 D i n g等 2 利用 同步辐射 X射线衍 射 以及金刚石 对 顶砧 技 术 研 究 了金 属钒 的高 压相 变 发 现 在 6 3 6 9 GP a时 金属钒将 由体心立方结构转变至 菱形 结构 r h o mb o h e d r a l s t r u c t u r e 这个相 变在 以前 的实验 中从未被报道 过 此后的第一性原理 计算进一步证实 了该固一 固相变的存在 虽然 金 属钒 的动态特 性研究也早有 开展 但 目前 尚未 观察到冲击加载下该相变 的存在 A1 t s h u l e r等 5 开展 了钒 的冲击绝热线测量 发现钒在约 1 8 3 GP a 处 的冲击 波速 度一 粒 子 速度 的斜 率 发生拐 折 曾 认为是发生 了冲击相变 但此后 Mc Qu e e n等 l 和 Ga t h e r 7 l 的实验结果证实冲击绝热线的拐折并不 存在 此外 声速作为判断材料发生 固一 固相变和 DOh 1 0 7 4 9 8 a p s 6 3 0 2 6 2 0 2 固一 液相变的重要参量 冲 击压缩下钒 的高压声 速测量也有开展 Da i 等 0 J 应用光分析法获得了钒 在 1 5 4 2 5 0 GP a冲击压力下的高压声速 结果表 明约 2 2 5 GP a时钒 开始发 生冲击熔化 但在此压 力范围内未发现固一 固相变特征 本文 采用 反 向碰 撞 实验 技术 1 0 对 纯钒 在 3 2 8 8 G P a 冲 击压 力范 围内 的声速 进行 了测量 并通过分析声速 是否发生 间断来判断冲击加载 下 钒固一 固相变的存在 2 实验方法 反 向碰撞方法是指将待测样 品作为飞片安装 在弹托上直接撞击 窗 口的实验方法 实验 原理如 图 1 所示 在拉 氏坐标下 当飞片 即待测样 品以冲 击速度 与窗 口发生碰撞 时 t t 0 将在飞片和 窗口中分别产生左行冲击波 波速为D 和右行冲 击波 波速 为D 并同时使飞片 窗 口界面 的粒 子速度发生突跃 当飞片中的左行冲击波到达后界 面时 t t 将反射稀疏波 该稀疏波的波速就是 样品材料的冲击压缩下的声速 拉格 朗曰声速 C L 由于稀疏波的传播会导致粒子速度 的下降 因此通 国防基础科研计划项目 批准号 B 1 5 2 0 1 1 0 0 0 1 国家自然科学基金 批准号 才基金 批准号 Z X 0 1 1 1 5 资助的课题 t通讯 作者 E mMl y u y i n y u 2 1 c n c o i n 2 0 1 4中国物理学会 Chi n e s e Ph y s i c a l S oc i e t y 0 2 6 2 0 2 1 1 1 1 7 2 2 8 1 1 1 2 7 2 2 9 3 和 中国工程物理研究 院双百人 九 t p w u l i x b 咖h y a c c 佗 物 理 学 报Ac t a P h y s S i n Vo 1 6 3 No 2 2 0 1 4 0 2 6 2 0 2 过对 碰撞 界面粒 子速度剖面 的测量可 以确定该稀 疏波到达该界面的时刻 f t t 2 F D a V Li F 图1 反向碰撞实验原理示意图 a 实验装置不意图 b 波系作用图 由图 1 b 波 系作用 图所 示 的几何关 系可 知 样品材料冲击压缩状态的拉格 朗日声速 C L为 C L 丽 1 式 中的D 为样品的冲击波速度 h 为样品厚度 样 品的冲击波速度 Ds 由下式计算得到 D C o s s 2 G a t h e r s 给 出了钒 的c o 5 0 4 4 k m s 和 1 2 42 根 据 实验 测 得 的冲 击 速 度 可 以 由 阻抗 匹配法 1 1 计算得 到粒 子速 度 冲击压 力 P 及冲击压缩密度 P 此外 在反 向碰撞 条件 下 样 品的冲击 波速 度 D 及对应 粒子速度 u 也可 以由下式直接计算 应飞片 窗 口界面粒子速度剖面平 台区 D 为窗 口材料冲击波速度 由 3 和 4 式可见 在反向碰 撞法测量 Hu g o n i o t 数据 的实验 中 只需要测得 飞 片 f 样 品 击靶速度 和飞片 窗 口界面粒子速度 就可获得样品的粒子速度 W 和对 应的冲击波速度 D 在获得拉格朗日声速 的基础上可以得到欧 拉声速 C E 5 P 其 中 为样品材料 的初始密度 并通过分析欧拉 声速 一 冲击压力关系是否发生间断可以判断相变的 存在 实验纯钒平均密度约6 1 0 4 g c m3 样品加 工成 2 8 mm 3 mm 表 面 抛 光 处 理 平 行度 2 5 g m 实验采用 2 s mm 1 0 mm单晶L i F为 窗口 密度 2 6 3 8 g c m3 碰撞界面粒子速度剖面采 用 单 点 DI S AR f d i s p l a c e me n t i n t e r f e r o me t e r s y s t e rn f o r a n y r e fl e c t o r 进行测量 1 2 为了提高测试 界面对 DI S AR系统入射光 的反射效率 窗 口光 学 反射面镀有 1 g m的铜膜 此外 为了避免前冲气体 对测试的干扰 窗 口光学反射面贴有 8 g m厚铜箔 由此实验测得 的碰撞界面粒 子速度剖面可以确 定 t 0 和 t 2 时刻 以用于 1 式中的声速计算 弹丸冲 击 速度 采用磁测速技术进行测量 得到 一 P o w D w u w 3 一一 U W 一 4 式中 和 o 分别为样品和窗口材料的初始密度 为碰撞后平衡状态下 窗口材料的粒子速度 对 二级轻气炮上进行 了5 发钒的反 向碰撞实验 冲击 速度2 4 9 3 5 3 5 9 k m s 对应于纯钒的冲击压力为 3 1 8 8 8 2 GP a 详细实验参数列于表 1中 表 1 实验参数及实验结果 D I S A R L 得的V L i F窗口界面粒子速度剖面 如 图 2 所 示 该速 度剖面 已根据李雪梅等 1 3 给 出 的L i F窗口折射率变化公式进行 了修正 图中t o 为 钒飞片碰撞 L i F窗 口时刻 t 2 为钒飞片卸载稀疏波 到达V L i F窗口碰撞界面时刻 卸载剖面可以看到 明显 的弹 一 塑性特征 表 明钒 在 3 1 8 8 8 2 GP a 冲 0 2 6 2 0 2 2 f 物 理 学 报Ac t a Ph y s S i n V o 1 6 3 No 2 2 0 1 4 0 2 6 2 0 2 击压力范围内还是处于固态 对 图 2 所 示 的粒 子速度 剖面 平 台区 0 2 进行 了统 计 平 均得 到 了 在 此基 础上 应 用 3 和 4 式计算得到 了钒在上述冲击压力下 的 冲击波 速度 D 及对应 粒子速度 u 计 算 时单 晶 L i F窗 口的密度P 0 2 6 3 8 g c m3 冲击波关系 式D 5 1 4 8 k m s 1 3 5 3 u 1 4 5 发实验给出 的冲击波速度 一 波后粒子速度关系如 图3 所示 图 中同时包含 了Mc Q u e e n 等 6 G a t h e r s 7 和 C h h a b i l d a s 等 1 5 给 出的实验数据 从图3可以看 出 本 文 的实验 结 果与 己发表 的实验 数据 具 有较 好 的 一 致性 并 且 与Ga t h e r s 给 出 的线性 拟 合 关系 D 5 0 4 4 k m s 1 2 4 2 u 符合得很好 这表明 本文所用纯钒材料 的冲击压缩特性与国外基本一 致 Ga t h e r s 给 出的线性关系同样适用本文的纯钒 材料 图2 D I S A R测得的V L i F窗口界面粒子速度剖面 不确定度分别为约 2 和约 1 川 1 但在高压情况 下 目前窗 口材料折射率修正参数 的缺乏 尚无法 对上述方法获得 的冲击波速度和粒 子速度进行全 面评估 因此 本文采用阻抗匹配法来计算钒 的冲 击波速度并用于声速计算 根据 图 2 所示 的粒子速度剖面给 出的特征 时 刻 t 0 和 t 2 结合阻抗 匹配法 来计算得 到的冲击波 速度及 冲击压缩 密度 由 1 和 5 式计算 得到 了 3 1 8 8 8 2 GP a冲击压力范围内钒 的欧拉声速 计 算结果列于表 1中 根据胡建波等 9 的分析 本文 采用的实验方式和数据处理方法获得的钒 声速数 据不确定度约为 2 图 4 钒 的高压 声速 随冲击压力 的变化 纯钒 的欧拉 声速 随冲击压力 的变化如 图 4 所 示 从 图中可 以看到 在 6 0 5 GP a 冲击压 力下的 声速一 压力关系存在一定程度的间断变化 初步 表 明钒发 生 了相变 Di n g 等 静 高压 实验确 定 的体 心立 方结 构转变 至斜 方六 面 体结 构 的相 变 压力为 6 3 6 9 GP a V e r ma 和 Mo d a k 3 J 以及Qi u Ma r c u s 4 J 采用第一性原理计算 的相变压力分别 为 6 0 GP a 和 6 5 GP a 上述相变压力与本文声速间断 对应压力基本一致 由此进一步确认冲击加载下钒 在约 6 0 G P a附近发生了结构相变 该相变特性未 能在 图3 所示的冲击波速度 一 粒子速度线性关系中 体现 表面钒的体心立方结构转变至斜方六面体结 构时体积变化很小 图 3 钒 冲 击 波 速 度 一 粒 子 速 度 关 系 4 结 论 在上述方法中 冲击波速度和对应粒子速度的 不确定度来源于飞片速度 界面粒子速度和窗口材 料Hu g o n i o t 参数 在较低冲击压力下 由 3 和 4 式计算得到冲击波速度和粒子速度具有较 高精度 本文进行 了3 2 8 8 G P a 压力范围内钒的反向 碰撞实验 采用DI S A R技术 V L i F窗口界面粒 子速度剖面进行测量 对粒子速度剖面的分析获得 了钒 的高压声速 根据静 高压实验和第一性原理计 物 理 学 报Ac t a Ph y s S i n V o 1 6 3 No 2 2 0 1 4 0 2 6 2 0 2 算结果 推 断6 0 GP a 处 的声速 问断表 明钒发生 了 从体心立方到斜方六面体的固一 固相变 感谢靳开诚 叶素华 王为 向曜明 方茂林 陈志云 康 强 黄金和王青松等在实验中的帮助 参考文献 1 Mo r i a r t y J A 1 9 9 2 P h y s R e v B 4 5 2 0 0 4 2 D i n g Y A h u j a R S h u J C h o w P L u o W Ma o H K 2 00 7 Phy s Re v Le t t 9 8 0 85 5 02 f 3 1 V e r ma A K Mo d a k P 2 0 0 8曰 儿 8 1 3 7 0 0 3 4 Qi u S L Ma r c u s P M 2 0 0 8 J P h y s C o n d e n s Ma t t e r 20 2 75 2 1 8 5 A 1 t h u l e r L V B a k a n o v a A A D u d o l a d o v I P 1 9 6 8 S o y Ph ys JEPT 2 6 1 1 1 5 6 Mc Q u e e n R G Ma r s h S P T a y l o r J W 1 9 7 0 H i g h V e 1 o c i t y I m p a c t P h e n o me n a N e w Y o r k Ac a d e mi c P r e s s p2 9 3 7 G a t h e r s G R 1 9 8 6 A p p 1 P h y s 5 9 3 2 9 1 8 8 Y u Y Y T a n H Hu J B D a i C D 2 0 0 8 C h i n P h y s B 17 2 6 4 Dai C D J i n X G Zh ou X M 2 0 01 J Ph y s D App1 Phy s 3 4 3 06 4 Hu J B Tan H Yu Y Y Da i C D Ra n X W 20 0 8 Ac t a P h y s s 饥 5 7 4 0 5 i n C h i n e s e f 胡建波 谭华 俞宇颖 戴 诚达 冉宪文 2 0 0 8物理学报 57 4 0 5 1 T a n Y Yu Y Y Da i C D T a n H Wa n g Q S Wa n g x 2 0 1 1 Ac t a P h y s S i n 6 0 1 0 6 4 0 1 i n C h i n e s e 谭叶 俞宇 颖 戴诚达 谭华 王青松 王翔 2 0 1 1物理学报 6 0 1 0 6 4 0 1 1 We ng J D Ta n H W a ng X Ma Y Hu S L W a ng X S 2 0 0 6 App1 Phy s Le t t 89 1 11 1 0 1 Li X M Yu Y Y Zh an g L Li Y H 2 01 2 Ac t a Ph y s Si n 6 1 1 5 6 2 0 2 i n C h i n e s e 李雪 梅 俞 宇颖 张林 李 英 华 2 0 1 2物理学报 6 1 1 5 6 2 0 2 i Ma r s h S P 1 9 8 0 L AS L S h o c k Hu g o n i o t Da t a f Be r k e l e y Un iv e r s i t y o f Ca l i f o r n i a Pr e s s 1 p 2 9 6 Chha bi l d a s L C Hi l l s C R 1 9 85 M e t a l l ur g i c a l Ap pl i c a t i o n s o f S h o c k Wa e a nd Hi g h S t r a i n Ra t e Ph e n o me n a Ne w Yo r k Ma r c e l De k k e r p 4 2 9 Sound ve l oc i t i e s o f v anadi um unde r s hoc k c om pr e s s i on术 Yu Yu Yi n g t Ta n Ye Da i Ch e n g Da L i Xu e M e i Li Yi n g Hu a T a n Hu a Na t i o n a l Ke yL a b o r a t o r y o f S h o c k Wa y e s a n dDe t o n a t i o n P h y s i c s I n s t i t u t e o f F l u i dP h y s i c s C h i n e s e Ac a d e m y o f E n g i n e e r i n g P h y s i c s Mi a n y a n g 6 2 1 9 0 0 C h i n a R e c e i v e d 2 7 J u l y 2 0 1 3 r e v i s e d ma n u s c r i p t r e c e i v e d 3 S e p t e mb e r 2 0 1 3 A bs t r act A s e r i e s o f r e v e r s e i mp a c t e x pe r i me n t s i s pe r r me d o n v a n a d i u m a t pe a k s h o c k p r e s s u r e s f r o m 3 2 GPa t o 8 8 GPa A d i s p l a c e m e n t i n t e r f e r o me t e r i s u s e d t o m e a s u r e t h e p a r t i c l e v e l o c i t y p r o fi l e a t t h e v a n a d i u m L i F w i n d o w i n t e r f a c e An a l y s i s o f t h e s e p r o fi l e p r o v i d e s a me a s u r e o f s o u n d v e l o c i t y o f v a n a d i um i n t h e Hu g o n i o t s t a t e Th e t r a n s i t i o n f r o m b o d y c e n t e r e d c u bi c s t r u c t u r e t o r ho mb o h e d r a l s t r u c t u r e p ha s e a t 6 0 GPa i s i d e n t i fie d b y t h e d i s c o n t i n u i t y o f t h e s o u n d v e l o c i t y a g a i ns t s h o c k p r e s s u r e Th i s