冲击加载下石英玻璃对苯的冲击相变诱导

陈源福，陈春彩，骆明辉

（闽南理工学院，福建泉州 362700）

苯作为典型的芳香化合物，其结构与含能材料具有很高的相似性，而含能材料的应用及其研究一直受人们的关注。其能量释放特性及其控制途径方面具有非常重要的应用背景，它们所承载的能量在极短时间内通过爆轰或爆燃方式被剧烈地释放出来，以满足某些特定工程目的对异常强大作功能力的需求，在释放过程中的涉及到相变和新产物产生，而在这一释放的过程物质处于高温高压状态，轻气炮加载下条件物质就可以在纳秒的时间尺度提供这样的条件，所以冲击波加载成为研究此类问题的实验手段。

苯的相变动力学研究，在静高压下已经有很多研究，得到了比较清晰的相变图[1-4]，但在动高压领域的相变还存在分歧，Walsh等[5]在爆轰加载下，利用光反射方法，在冲击加载下对苯的透光性进行观察，他们实验结果未发现苯的相变依据；后来Matsuda 等[6]在激光加载下结合共振拉曼光谱方法，发现在4.2Gpa 压力时苯在25ns 发生液固相变；而在后来Root 和Gupta 小组[7]在光透射和拉曼光谱测量技术，在0.6-13Gpa 范围内没有观察到苯的液固相变，并分析Matsuda 等的研究结果是由于受到边侧稀疏波的影响，造成压力不均匀而对实验结果带来的误差。国内在前些年程小理等[8]利用光透射方法在多次冲击加载下观察苯的透射率的变化，发现苯在第二次冲击压力在1.91Gpa 时发生了相变，而赵北京等[9]在二级轻气炮结合瞬态拉曼光谱测量技术在单次冲击加载下苯在13Gpa下发生结构变化。因此，苯的高压相变研究还有必要作进一步的探讨。文献[10-11]发现石英玻璃对水的冲击相变有着促进作用，而石英玻璃对苯的冲击相变是否有类似的作用，需要实验进一步研究。

1 实验原理与方法

实验原理的示意图如图1所示，整个实验装置主要包含四个部分，炮管、弹丸、靶和光透射测量系统，弹丸由一级轻气炮加载，其速度由安装在出射口的磁测速装置测得[12]，激光光源隐藏在弹丸之中，弹丸碰到靶面时光源接通，光依次通过飞片、基板、样品、窗口，最后由收集光纤进入多通道高温计把光信号转换成电信号再由数字示波器记录，实验中通过记录光透射率的变化情况来判断苯的结构相变。飞片、基板、窗口的厚度分别为Φ30×12mm、Φ40×4mm、Φ30×12mm，密度为2.21g/cm3的石英玻璃。样品苯夹在石英基板和石英窗口之间，由于样品与石英玻璃的冲击阻抗不同，冲击波可以在基板与窗口之间来回反射，而对样品进行多次冲击[13]，样品的压力和温度由阻抗匹配法计算得到[14]。样品苯的Hugoniots关系：Us=1.50+1.67Up[15]。

图1 实验装置示意图

2 实验结果与分析

如图2所示为实验1测量结果，横坐标为时间，纵轴为光强度的电压，t0为光源出光时刻，t1为样品受到第二次冲击的时刻，其弹丸速度为0.430 km/s，样品厚度为1.291 mm。从实验结果可以看出样品光的透射率在第一次冲击过程中保持不变，但当冲击波到达窗口界面后反射对样品进行第二次冲击加载时光的透射率开始发生下降，随后在多次冲击加载下，光的透射率随着压力和温度的升高而下降变得更加明显。从相图[2-3]来看，第一次冲击的压力为0.77 GPa、温度为427 K，还在液相区，而第二次冲击压力1.64 GPa、温度484 K，已经在苯Ⅱ相区，其光的透射率也开始下降，说明样品的结构已经开始发生了变化。光的透射率随着驱动力的作用不断在变化，但这样的变化是发生在体积内还是界面处，值得去验证。为此我们用20 um的有机玻璃膜把样品与石英玻璃隔开进行了实验2，其飞片的速度为0.480 km/s,样品厚度为2.909 mm，通过热力学计算，样品在第二次冲击压力为1.63 GPa，温度为498 K,已跨入苯的固相区，但从实验2结果中光的透射率在光源工作的时间内都没有出现明显的下降，如图3所示。通过两次实验对比说明苯在多次冲击加载下发生的相变与石英玻璃有着直接的关系。分析认为石英玻璃表面呈现负电性，存在弱电场的作用，使得在石英玻璃的表面的苯的氢键有序排列，为苯在冲击加载下的相变提供有效成核条件，在驱动力的作用下在石英玻璃界面处发生了固相变化。

图2 实验1光的透射率随时间变化

图3 实验2光的透射率随时间变化

3 结论

在级轻气炮加载过程中采用光透射测量技术对夹在石英玻璃之间的样品苯进行在线观察，通过观察光的透射率变化来对苯的相变进行了研究，实验结果说明，苯在多次冲击加载中冲击波到达石英玻璃窗口界面反射对样品第二次加载时光的透射率开始发生变化，而样品在与石英玻璃没有接触时，光的透射率没有发生变化，表明石英玻璃对苯的冲击相变起诱导作用。这将对苯的冲击相变机理的进一步研究提供重要的信息。

致谢：本实验在西南交通大学高温高压科学与技术实验室张明建和薛学东老师等协助完成，在此表示感谢。