冲击加载下液态光学窗口水的热物理性质及疏松金属铁的冲击温度测量问题研究

摘要

水不仅是地球的重要的物质组分也是凝聚态炸药的爆轰产物之一，因此它的高温高压物态方程研究受到广泛关注。尽管在冲击加载条件下研究工作取得过一系列重要的进展，但仍存在诸多问题需要解决。主要表现在:(1)在中低压力区(低于50GPa)水的冲击温度测量数据十分稀缺。文献中曾报道过两个数据点，但那是早期的两通道高温计测量结果，其可信度受到普遍质疑。(2)冲击高压下水的比热取值以及其随温度变化特性一直存在争议，不同理论模型（Cv（T））所给出的高温高压物态方程结果相差较大。(3)在冲击高压下水的光学窗口功能还没有被人们比较系统地研究过。事实上，液态光学窗口在解决不透明金属材料的冲击温度测量问题方面具有一定潜力，它被认为是解决疏松金属冲击温度测量问题的最理想光学窗口;(4)在高温高压下水的光学透明性和热导率数据基本是空白，这是液态窗口材料的两个重要特性参量。
　　 由于在金属/固态光学窗口界面处残余气体的冲击发光干扰，以及光学窗口本身的冲击发光效应的影响，金属的冲击测温问题一直是冲击波物理研究领域的一个难点。尽管采用精密抛光技术人们已基本消除了金属/窗口之间间隙气体的冲击发光干扰，但疏松金属样品的体内存在大量孔洞缺陷，人们通过精密抛光手段无法获得比较理想的抛光表面，来自界面的不稳定辐射干扰也就无法消除。正是这个技术瓶颈的存在，疏松金属冲击温度测量问题至今没有解决。
　　 为了解决上述两方面问题，本文进行了一系列实验和理论方面的研究，取得结论如下:
　　 1.利用二级轻气炮加载技术，首次在30-50GPa冲击压力区观测水的光学透明性。结果表明，在低于35GPa冲击加载条件下水在可见光波长范围内仍然保持为光学透明介质，可用作液体光学窗口材料;在35-45GPa冲击压力区，水成为光学半透明介质，作为光学窗口使用时需要考虑水的光学吸收特性。
　　 2.在35-50GPa冲击条件下，首次获得水的冲击温度数据。结合Lyzenga等在50-80GPa之间的冲击温度测量结果，对冲击高压下水的比热容取值和函数关系给出了限定:(1)在低于50GPa压力区，水的比热容Cv应取为7.07R;(2)在50GPa至80GPa高压缩区间，由于热电子或电离效应的影响，水的比热容与冲击温度相关:Cv=(5.76+3.84×10-4TH)R。
　　 3.利用测量金属钽/水的界面温度的办法，对冲击高压下水的热导率取值范围进行了限定。结果表明，水的热导率与冲击压力之间存在线性相关性:K=KW0+2.98PHW/(m·K)。
　　 4、以液态水为光学窗口测量钽、铜、铁的冲击温度，并首次证明疏松铁体内平均热力学温度值与疏松铁/水界面辐射平衡温度存在关联性。结合金属的三项式物态方程理论和固/液混合相区绝热卸载计算方法，计算获得多孔铁冲击温度和卸载温度。结果表明，对于疏松度不大（αc＜1.3）的疏松金属，其冲击温度的测量值与计算结果一致。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 金属冲击温度测量问题以及光学窗口问题研究历史

1．3 水作为光学窗口的有关特性及研究现状

1．3．1 水的物态方程研究

1．3．2 水的导热性研究

1．3．3 水与金属界面辐射问题

1．4 疏松金属的状态方程研究

1．5 存在的问题

1．6 本文研究的主要内容与章节安排

1．6．1 本文主要研究内容

1．6．2 论文章节安排

第2章 冲击实验原理与技术

2．1 冲击加载实验原理

2．1．1 二级轻气炮工作原理

2．1．2 弹丸速度的测量原理

2．2 冲击温度测量方法

2．2．1 光学高温计原理

2．2．2 不透明金属的冲击温度测量方法

2．3 金属／窗口热传导模型

2．3．1 金属样品不因界面热传导发生相变

2．3．2 金属样品因界面热传导发生凝固相变

第3章 水的P-T物态方程和导热性研究

3．1 引言

3．2 水的P-T物态方程的实验研究

3．2．1 实验技术以及计算方法

3．2．2 实验结果及分析

3．3 高压下水的热导率取值范围限定

3．4 本章小结

第4章 疏松铁／水界面的冲击辐射特性与辐射温度

4．1 疏松铁的冲击温度计算

4．1．1 固态金属铁状态方程

4．1．2 液态以及固液混合状态金属铁状态方程

4．1．3 疏松铁冲击温度的计算

4．2 密实金属／水界面冲击辐射特性与辐射温度

4．3 疏松铁／水界面冲击辐射特性与辐射温度

4．3．1 实验方法

4．3．2 实验结果及分析

4．4 本章小结

全文总结

1．全文研究的主要成果与创新之处

2．尚需进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读博士学位期间公开发表的论文及科研成果