一種直接測(cè)量材料高壓強(qiáng)度的磁驅(qū)動(dòng)壓力裝置及測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種直接測(cè)量材料高壓強(qiáng)度的磁驅(qū)動(dòng)壓力裝置及測(cè)量方法，包括依次連接形成回路的儲(chǔ)能電容、回路電感、負(fù)載、回路電阻、以及放電開關(guān)，還包括一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器，負(fù)載穿過強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)。本發(fā)明在磁壓力對(duì)樣品加載過程中，由于能量沉積導(dǎo)致的熱燒蝕深度不會(huì)超過磁擴(kuò)散前沿，而磁擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于壓縮波傳播波速，因此可以基本消除載流面燒蝕對(duì)加載過程的影響；相對(duì)于現(xiàn)有的測(cè)量裝置和測(cè)量方法而言，本發(fā)明可以直接測(cè)量固體材料在幾十吉帕壓力范圍內(nèi)屈服強(qiáng)度，避免了沖擊加載造成的溫度升高對(duì)高壓下材料強(qiáng)度的影響，同時(shí)避免了數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加有效可靠。
【專利說明】一種直接測(cè)量材料高壓強(qiáng)度的磁驅(qū)動(dòng)壓力裝置及測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及涉及動(dòng)高壓科學(xué)與技術(shù)、脈沖功率科學(xué)與【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是指一種直 接測(cè)量材料高壓強(qiáng)度的磁驅(qū)動(dòng)壓力裝置及測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 研究高壓力下固體材料的屈服強(qiáng)度有著明確的需求背景和重要的學(xué)術(shù)意義，如裝 甲和武器設(shè)計(jì)中的防護(hù)與破壞、固體材料中界面運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定性（RT不穩(wěn)定性和RM不穩(wěn)定 性）等，此外，材料力學(xué)性能與其微結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究，迫切需要了解相關(guān)的物理規(guī)律、建立合 適的物理模型作為支撐。材料的剪切應(yīng)力與壓力、溫度和應(yīng)變率相關(guān)規(guī)律就是其中的一個(gè) 重要方面。
[0003] 自上世紀(jì)六十年代以來，國(guó)際上提出了多種方法來測(cè)量高壓下材料的屈服強(qiáng)度， 如彈塑性分析法、反射剪切波技術(shù)、斜板撞擊法（即壓剪炮技術(shù))、各向異性晶體(如y切石 英）撞擊產(chǎn)生壓剪波技術(shù)、雙屈服面法（AC方法)、以及Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定增長(zhǎng)法等。 但受限于加載方式和物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的缺陷，目前測(cè)量材料高壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)方法主要是基于 平板撞擊的雙屈服面法和Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定增長(zhǎng)法。雙屈服面法先對(duì)樣品進(jìn)行沖擊 加載使之達(dá)到較高的應(yīng)力狀態(tài)，之后再對(duì)壓縮狀態(tài)樣品進(jìn)行二次加載使之達(dá)到上屈服面， 或是卸載使之達(dá)到下屈服面，由上下屈服面的差值來給出材料在高壓下的屈服強(qiáng)度。這種 方法的不足之處是：它首先要求預(yù)沖擊加載具有足夠?qū)挼母邏毫ζ脚_(tái)，確保再次沖擊和等 熵卸載都是在樣品處于均勻應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的；其次，樣品受預(yù)沖擊加載時(shí)其熵增 和溫升不容忽視，壓力對(duì)材料強(qiáng)度的影響伴隨著不易區(qū)分的應(yīng)變率效應(yīng)和熱軟化問題。采 用不穩(wěn)定增長(zhǎng)法計(jì)算材料強(qiáng)度時(shí)，由于判定的標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的吻合程 度，因此該方法獲得的材料強(qiáng)度結(jié)果不僅和材料參數(shù)相關(guān)，而且與計(jì)算所采取的材料模型 精度相關(guān)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種物理假定簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理方便的直接測(cè)量材料高壓強(qiáng) 度的磁驅(qū)動(dòng)壓力裝置及測(cè)量方法，解決目前高壓力下固體材料的屈服強(qiáng)度測(cè)量中存在的材 料的物理模型假定多、溫度和壓力對(duì)材料強(qiáng)度影響難以分離等問題，利用新的測(cè)量裝置和 測(cè)量方法進(jìn)行材料強(qiáng)度的測(cè)量。
[0005] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種直接測(cè)量材料高壓強(qiáng)度的磁驅(qū)動(dòng)壓力裝置，包括依次連接形成回路的儲(chǔ)能電容、 回路電感、負(fù)載、回路電阻、以及放電開關(guān)，還包括一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器，負(fù)載穿過強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生 器產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)。本發(fā)明利用RLC回路構(gòu)建成一套脈沖大電流裝置，并將負(fù)載電極接入脈 沖大電流裝置的放電回路，其特點(diǎn)是放電回路的儲(chǔ)能較大，回路電感和電阻很小，當(dāng)開關(guān)導(dǎo) 通后，儲(chǔ)存在電容器里的能量瞬間釋放，回路產(chǎn)生脈沖大電流并流經(jīng)負(fù)載，裝置對(duì)負(fù)載放電 時(shí)，脈沖大電流流經(jīng)負(fù)載并在兩個(gè)電極板之間的間隙中感生脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，受趨膚效應(yīng)影響， 電流集中在電極板內(nèi)表面流過，帶電極板在感生強(qiáng)磁場(chǎng)中承受的洛倫茲力集中在載流面附 近，可近似為面積力，即磁壓力，磁壓力方向指向電極板內(nèi)部，向電極板內(nèi)部傳播并進(jìn)入實(shí) 驗(yàn)樣品；帶電極板在外部磁場(chǎng)作用下將受橫向的洛倫茲力，同樣的，由于趨膚效應(yīng)，橫向洛 倫茲力集中在電極板的內(nèi)表面，形成橫向的剪切力邊界，由于縱向的磁壓力和橫向的磁剪 切力分別由脈沖大電流裝置的放電電流在自身感生的磁場(chǎng)和外部磁場(chǎng)中感應(yīng)的洛倫茲力 而來，因此在電極板內(nèi)表面形成的磁壓力和橫向剪切力與放電電流同步。在電極板內(nèi)表面， 形成一維軸向應(yīng)變和一維剪切應(yīng)變聯(lián)合加載的應(yīng)力狀態(tài)，在此情況下，縱向（X向)應(yīng)力的剪 切分量和橫向（Y向）剪切分量與材料的屈服強(qiáng)度7有如下關(guān)系：

【權(quán)利要求】
1. 一種直接測(cè)量材料高壓強(qiáng)度的磁驅(qū)動(dòng)壓力裝置，其特征在于：包括依次連接形成回 路的儲(chǔ)能電容（1)、回路電感（2)、負(fù)載（5)、回路電阻（4)、以及放電開關(guān)（3)，還包括一個(gè)強(qiáng) 磁場(chǎng)發(fā)生器，負(fù)載（5)穿過強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接測(cè)量材料高壓強(qiáng)度的磁驅(qū)動(dòng)壓力裝置，其特征在 于：所述的負(fù)載包括與回路電阻（4)連接的上方鑰電極板（51)、與回路電感（2)連接的下方 鑰電極板（52)，上方鑰電極板（51)與下方鑰電極板（52)的一段通過短路墊塊（53)連接，在 上方鑰電極板（51)上方設(shè)置有上黃銅壓塊（54)，在上黃銅壓塊（54)中部開設(shè)有上Zr0 2窗 口（55)，上Zr02窗口（55)與上方鑰電極板（51)之間用于安放樣品（59);在下方鑰電極板 (52)的表面設(shè)置有下黃銅壓塊（56)，在下黃銅壓塊（56)中部形成下Zr02窗口（57)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直接測(cè)量材料高壓強(qiáng)度的磁驅(qū)動(dòng)壓力裝置，其特征在 于：所述的強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器為RLC放電回路，脈沖電流通過放電回路中的電感元件線圈（58) 時(shí)，在線圈（58)的腔體內(nèi)部產(chǎn)生瞬態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)。
4. 一種直接測(cè)量材料高壓強(qiáng)度的方法，其特征在于，包括以下步驟： (a) 首先將負(fù)載接入脈沖大電流裝置，再對(duì)脈沖大電流裝置充電，充電電壓達(dá)到設(shè)定值 后，斷開充電回路開關(guān)，打開放電開關(guān)，使得脈沖大電流裝置對(duì)負(fù)載放電，采用羅果夫斯基 線圈測(cè)量通過負(fù)載的脈沖電流形狀與幅值； 設(shè)放電開關(guān)的動(dòng)作指令時(shí)間為I，記錄羅果夫斯基線圈的信號(hào)起跳時(shí)間?\，放電電流 的上升時(shí)間八!\ ; (b) 對(duì)外部磁場(chǎng)發(fā)生器的電容充電，充電電壓到達(dá)設(shè)定值后，斷開充電回路開關(guān)，打開 放電開關(guān)，使得磁場(chǎng)發(fā)生器電容對(duì)線圈放電，采用B-dot測(cè)量回路線圈腔內(nèi)的磁場(chǎng)形狀與 幅值：脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器的放電開關(guān)的動(dòng)作指令時(shí)間也為I，B-dot記錄的信號(hào)起跳時(shí)間T 2， 瞬態(tài)磁場(chǎng)的上升時(shí)間ΛΤ2,99%-100%幅值區(qū)域的時(shí)間寬度為ΛΤ3 (c) 比較Λ ?\和Λ Τ3的大小，當(dāng)Λ Τ3>> Λ ?\，使得脈沖大電流裝置放電過程中脈沖磁 場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)處于穩(wěn)恒狀態(tài)，將瞬態(tài)磁場(chǎng)發(fā)生器接入脈沖大電流負(fù)載區(qū)域，根據(jù) 流經(jīng)負(fù)載的脈沖大電流上升時(shí)間Λ ?\，調(diào)整鑰電極的厚度h> Λ TiQ/2,其中Q是鑰的縱波聲 速，使得磁加載壓力達(dá)到與加載電流相對(duì)應(yīng)的極大值； (d) 脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器的放電指令和脈沖大電流裝置的放電指令為同一個(gè)指令，設(shè)置脈 沖大電流裝置的動(dòng)作時(shí)間延遲為;分別對(duì)脈沖大電流裝置和瞬態(tài)磁場(chǎng)發(fā)生 器裝置充電至設(shè)定值，在I時(shí)刻，觸發(fā)放電開關(guān)； (e) 采用三探頭VISAR測(cè)量Zr02窗口自由面的縱向和橫向速度歷史，計(jì)算加載壓力的 峰值P和相應(yīng)峰值壓力下的材料強(qiáng)度7:
其中是Zr02材料的初始密度，G，λ是Zr02材料的沖擊Hugoniot參數(shù)，C；是彈性 剪切波速，Uxmax是自由面的縱向速度峰值，Uy_x是橫向速度彈性段峰值。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK104155179SQ201410424560
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】羅斌強(qiáng), 王桂吉, 陳學(xué)秒, 譚福利, 趙劍衡, 孫承緯 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所