爆轰波对碰加载下平面Sn材料动力学行为实验研究*

陈永涛，洪仁楷，吴建华，陈浩玉，王晓燕

(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实验室，四川绵阳 621999)

1 引 言

爆轰波对碰后压力、温度急剧升高，如压力约为CJ压力的2.3～2.4倍[1]，受载金属样品极有可能处于熔化状态，进而导致金属样品表面喷射大幅增加，甚至在稀疏波的拉伸作用下样品主体发生层裂破碎等一系列复杂动力学行为。同时，由于对碰加载波形的特殊性和复杂性，对碰加载下金属样品的动载行为又明显区别于单一平面加载状态，导致无法直接从平面加载金属材料动力学行为推断对碰加载状态。鉴于爆轰波对碰加载下金属材料独特的力学行为以及重要的工程应用背景，该问题近年来受到国内外研究人员的高度重视。

针对爆轰波对碰加载下金属材料的动力学行为，目前典型的研究进展和成果有：Singh[2]、陈军[3]、张崇玉[4]等开展了爆轰波对碰加载下金属圆管膨胀变形特性的实验研究，发现在爆轰波对碰加载下金属圆管对碰区出现超前凸起现象，且该部位壳体断裂时间较邻近部位明显提前；Zhiembetov等[5]开展了柱面对碰加载下铅、铟、锡材料动载行为特征的实验研究，结果发现铅、铟、锡这类低强度、低熔点金属材料对碰区出现了明显的多孔断裂、崩溃，甚至破碎、雾化等现象；张崇玉等[6-7]采用简易平面对碰实验装置，利用X光照相技术，研究了Pb、W和Cu不同材料对碰加载下的动载行为特征，给出了对碰区较清晰的物理图像，并指出材料强度和熔点对金属样品对碰区动载行为存在重要影响。上述研究得到了爆轰波对碰加载下金属材料动载行为的重要特征信息和物理认识，但由于对碰加载下材料动载行为的复杂性，目前的研究无论在广度和深度上均无法满足工程和物理认识的需要。

本研究基于上述研究基础和物理认识，选择强度、熔点较低的Sn材料作为研究对象，重点依托传统X光照相技术，并首次将激光干涉测速系统(Doppler Pin System，DPS)引入对碰区测量，实验诊断爆轰波对碰加载下Sn材料的动力学行为，获取对碰区表面微喷和主体破碎物质的整体物理图像，加深对碰加载下金属材料动载行为的物理认识。

2 实验加载装置及测试系统布局

实验加载装置及DPS测速系统布局如图1所示。炸药柱面中间两点对称安装雷管，同步起爆炸药加载金属样品，其中，炸药成份为JH-9005，尺寸为∅32 mm×22 mm；LY12铝基板尺寸为∅80 mm×2.0 mm，Sn样品尺寸为∅36 mm×3.1 mm。DPS测速探头统一安装在测试支架上，直径为3.2 mm，激光焦斑直径约0.5 mm(近平行光)，且全部布设在对碰线上，共7个。实验环境均为常压。

图1 实验加载装置及测速布局 Fig.1 Schematic of experimental setup and DPS system

图2 X光照相布局示意图 Fig.2 Layout diagram of X-ray and experimental setup

为获得对碰区金属材料动载特征的直观图像，分别在平行于对碰线和垂直于对碰线两个方向布设两台450 keV脉冲X光机对对碰区进行观测，实验布局如图2所示(平行于对碰线方向定义为纵向，垂直于对碰线方向定义为侧向)。同时，在实验装置上放置两个垂直于照相方向的台阶标定样品,见图1(b)实物照片，用于X光图像密度反演。

3 实验结果与分析

3.1 X光诊断结果及分析

X光诊断爆轰波对碰加载下Sn样品对碰区图像见图3。X光出光时间为雷管起爆后约12.5、16.1 μs两个时刻，出光方向分别为平行于对碰线方向(纵向)和垂直于对碰线方向(横向)。横向观测结果显示，在爆轰波对碰加载下对碰区呈现明显散碎凸起状，且凸起图像呈多层分区结构分布特征，即凸起头部密度较低(明显低于材料初始密度，且处于不连续的散碎状态)，根部密度相对较高，不同低密度区域中间存在密度较高的类似于层裂片的“夹层”。纵向记录的对碰区凸起形状细长，类似聚能装药射流，不过，由于沿观测方向上物质叠加，加上X光穿透能力限制，纵向图像表观呈现类连续介质状态，没能获得比较准确的密度分布信息，但纵向图像提供了极其重要的对碰区“宽度”信息。细致观察X光图像发现，在Sn样品对碰区凸起物质与空气介质之间存在较明显的“阶跃”边界，而且根据材料动载下运动特性可判断该“阶跃”边界应对应Sn样品初始自由表面。另外，通过观测图4所示的局部增强图像还发现，在凸起“阶跃”边界前面还存在一层密度极低物质，根据爆轰加载下金属材料动力学理论，可判定该层物质为Sn样品表面微喷。综合图3和图4发现，Sn样品对碰区主体呈现明显“散碎凸起”状态，且在主体凸起物质前方还存在一层密度极低的微喷物质。

图3 平面Sn材料对碰区X光图像 Fig.3 Radiographs of collision zone of Sn sample

图4 平面Sn材料对碰区X光增强图像 Fig.4 Enhanced radiographs of collision zone of Sn sample

对12.5、16.1 μs两个时刻X光图像对应“阶跃”边界位置进行对比处理，得对碰区Sn样品自由表面速度约2.0 km/s。依据Sn的冲击雨贡纽关系(D=2.61+1.49u)，得对碰区Sn 样品自由面附近压力约30 GPa，大于Sn材料卸载熔化压力(约22.5 GPa)，Sn样品处于熔化状态。依据目前认识，对于处于熔化状态的对碰区Sn样品，其抗拉强度明显降低，按目前“微层裂”和“微喷射”形成理论，其样品主体在稀疏波拉伸作用下将形成大量细小散碎颗粒群，样品表面将产生大量微喷射物质。该物理认识与X光诊断对碰区图像完全吻合，从而定性阐释了对碰区特征图像形成的物理机制。

另外，为获得对碰区主体凸起散碎物质的空间平均体密度，本研究专门建立了X光图像边界提取、密度反演等相关方法，并借助预设的不同厚度标定Sn样品对整个X光图像进行了处理和分析：即首先借助标定样品，对图3所示X光侧向观测图像进行处理，得到对碰区凸起物质“面密度”；然后借助纵向观测图像给出的对碰区“宽度”数据，基于沿“宽度”方向凸起破碎物质密度相等的基本假定，得到对碰区凸起散碎物质的空间体密度，见图5。图5(a)、图5(b)为对碰区凸起物质密度-空间分布宏观图像，图5(c)、图5(d)为从宏观图像中提取的密度分布数据，横坐标表示对碰区凸起高度，零点定义在加载前Sn样品自由面位置。需要说明的是，由于加载装置中爆轰波到达时间差异和边侧稀疏影响，导致沿对碰线(见图1)不同位置处,散碎物质凸起空间高度存在差异(见侧向诊断X光图像)，而纵向图像给出的对碰区凸起高度实际为对碰线中间最高位置处的数据，因此，图5给出的对碰区凸起散碎物质空间体密度实际为对碰线中间位置处破碎凸起物质的数据。另外，由于对碰区散碎凸起物质前方微喷物质的密度极低，X光对该部分物质诊断结果信噪比偏低，因此，没有从X光图像反演微喷物质的密度信息。

图5 Sn样品对碰区散碎凸起物质空间密度分布 Fig.5 Density distribution of collision zone of Sn sample

3.2 DPS诊断结果及分析

图6 DPS测量对碰区Sn材料典型速度剖面 Fig.6 Velocity profile of collision zone of Sn

DPS测量给出Sn样品对碰区典型速度剖面见图6(对碰区正中间位置点数据)。分析图6发现，DPS测量结果呈现一定宽度“弥散速度带”特征，而非单一速度特征。依据DPS测量原理，可以判定DPS测量结果应为大量细小粒子的速度信息，而非Sn样品自由面单一速度信息。而且，从速度数值上，该散碎粒子速度主要介于2.0～2.7 km/s之间，均大于由前面X光给出的2.0 km/s的自由面速度。因此，可以判定，图6中DPS测量物质应为位于对碰区Sn样品自由表面前方的高速微喷射粒子(依据大量微喷研究数据，该状态下微喷粒子尺度应主要集中在微米量级)，该结果与图4中X光增强图像给出结果吻合。分析图6所示Sn样品对碰区速度带信息发现，随着时间推移，速度带“上边沿”呈现逐渐降低趋势，说明最快速喷射粒子速度呈逐渐减低趋势。依据“气粒两项流”理论，喷射粒子速度逐渐降低的现象与实验所处一个大气压环境相关，即高速喷射粒子在有气环境中运动时，受到了环境气体阻碍作用，导致其运动速度逐渐降低。

另外，为了更直观判定对碰区Sn样品自由表面高速喷射粒子占据的空间区域及演化规律，本研究对图6所示速度带进行了处理，提取了速度带“上边沿”信息(对应速度最大微喷射粒子，见图7)，然后，将其沿时间进行积分，得到位移-时间历程，再将该位移-时间历程与X光诊断Sn样品自由“阶跃”边界进行比对，得到了图8所示物理图像。

图7 DPS测量对碰区Sn材料速度带上沿 Fig.7 The top edge of Sn collision zone velocity profile

图8 DPS测速与X光Sn样品结果比对 Fig.8 Comparison of Sn results from DPS and X-ray

分析图8可知，对碰区Sn样品表面喷射粒子大体占据了自由面表面前方2～3 mm的空间区域，且随着时间推移(一定时间宽度范围内)，存在逐渐展宽趋势(12.5 μs时微喷区宽度约2 mm,16.1 μs时微喷区宽度约3 mm)。由图6所示,DPS测量“微喷速度带”携带物理因素极其复杂，目前仅能通过“速度带”大体反映微喷物质的速度信息，还无法通过该“速度带”信息推测给出微喷物质的密度信息，其密度信息的获得还需要依靠“压电探针”等量化技术。不过，总体来看，本研究通过X光和DPS技术的联合诊断，基本给出了爆轰波对碰加载下Sn样品对碰区主体破碎凸起及表面微喷分布的总体宏观物理图像。

4 结 论

通过X光和DPS联合诊断的简易平面对碰加载实验，研究分析了爆轰波对碰加载下Sn样品的动力学行为，主要取得如下结论和认识：

(1) 成功将DPS测速技术应用于金属材料对碰区行为诊断，并通过其测量的“速度带”信息推测给出了Sn样品对碰区前表面微喷物质的速度及分布宽度信息，但目前尚不能给出微喷物质的密度信息。

(2) 给出了Sn材料对碰区的直观物理图像及演化趋势。对碰区主体呈现密度明显低于初始密度的“散碎凸起”状态，在主体凸起物质前方存在一层宽度毫米级、密度极低的微喷物质；随着时间推移，主体“散碎凸起”和“表面微喷”均存在进一步弥散展宽的趋势。

[1] 孙承纬，卫玉章，周之奎.应用爆轰物理 [M].北京：国防工业出版社，2000：534-543.

SUN C W，WEI Y Z，ZHOU Z K.Physics of applied detonation [M].Beijing：Defense Industry Publishing Company，2000：534-543.

[2] SINGH M，SUNEJA H R，BOLA M S，et al.Dynamic tensile deformation and fracture of metal cylinders at high strain rates [J].Int J Impact Eng，2002，27(9)：939-954.

[3] 陈 军，孙承纬，蒲正美，等.爆轰波对碰区产物驱动金属圆管的研究 [J].爆炸与冲击，2003，23(5)：442-447.

CHEN J，SUN C W，PU Z M，et al.Expansion of metallic tubes by detonation product behind two head-on colliding detonation waves [J].Explosion and Shock Waves，2003，23(5)：442-447.

[4] 张崇玉，谷 岩，张世文，等.爆轰波对碰驱动下金属圆管膨胀变形特性研究 [J].爆炸与冲击，2005，25(3)：222-226.

ZHANG C Y，GU Y，ZHANG S W，et al.Study on expanding characteristic of steel tube driven by two head-on colliding detonation waves [J].Explosion and Shock Waves，2005，25(3)：222-226.

[5] ZHIEMBETOV A K，MIKHAYLOV A L，SMIRNOV G S.Experimtnal study of explosive fragmentation of metals melts [C]//FURNISH M D,THADHANI N N,HORIE Y.Shock Compression of Condensed Matter-2001.New York:AIP,2002：547-550.

[6] 张崇玉，胡海波，李庆忠,等.爆轰波对碰驱动下平面铅飞层对碰区动载行为实验研究 [J].高压物理学报，2009，23(4)：283-287.

ZHANG C Y，HU H B，LI Q Z，et al.Experimental study on dynamic behavior of lead plate driven by two head-on colliding detonation waves [J].Chinese Journal of High Pressure Physics，2009，23(4)：283-287.

[7] ZHANG C Y，HU H B，TANG T G，et al.Dynamic behavior of lead driven by head-on detonation waves [C]//ELERT M L,BUTLER W T,BORG J P,et al.Shock Compression of Condensed Matter-2011.New York:AIP,2012：1129-1132.