论文摘要
高温高压下金属物质的粘滞性及其测量方法是凝聚态物理、武器物理、以及地球科学关注的重要课题之一,至今还没有建立起一种公认的实验方法用于测量兆巴压力下物质的剪切粘性系数值。俄罗斯科学家基于爆轰加载技术提出过一种冲击波小扰动方法(简称Sakharov实验方法),并用来测量过几种金属(包括Al,Pb,Fe,U等等)在冲击高压下的剪切粘性系数。采用这种方法测得金属在高压下的剪切粘性系数比静高压实验和分子动力学模拟方法所得到的结果高了5～6个量级,同时Sakharov实验方法中产生的初始流场结构比较复杂,且缺乏可靠的理论模型支持。所以采用新的实验方法和理论模型,对动静高压测量粘性存在巨大差异的客观性进行验证显得很有必要。本文在测量冲击高压下金属剪切粘性系数的实验技术上取得了重要进步,提出了一套完全不同于Sakharov的实验方法。主要结果为:(a)在气炮加载条件下采取直接碰撞样品波纹面的方式获得具有正弦形几何扰动的冲击波流场,该方法所获得的初始流场比Sakharov实验所获得的初始流场更为均匀,更为接近小扰动的条件;(b)建立并完善了一种新的离散式电探针测量技术并用于直接测量扰动波的波峰波谷距离差随传播距离变化特性,简化了实验的测试技术;(c)通过优化设计样品的几何尺寸,实现了振幅衰减和反向振荡过程的同时观测,确定出衰减曲线的零相位点和最大反向点,得到了正弦冲击波阵面阵面振幅变化的全周期过程。运用Miller和Ahrens非理想初始条件方程对飞片碰撞实验数据进行拟合,求得铝在78GPa和101GPa冲击压力下的剪切粘性系数分别为1350±500Pa·s和1200±500Pa·s,铁在159GPa和103GPa冲击压力下的剪切粘性系数分别为1150±1000Pa·s和4800±1000Pa·s。飞片碰撞实验所测得金属在高压下的剪切粘性系数与运用Sakharov实验方法所测得的粘性系数相差并不大,在同一量级范围内(10~3pa·s)。动高压实验在测量金属的剪切粘性系数时,所研究的对象为固体或局部熔化的固体,而静高压和分子动力学所研究对象为液体。在动高压的研究中,剪切粘性产生的机理为固体介质的位错运动;在静高压和分子动力学的研究中,剪切粘性产生的机理为原子分子扩散运动。同时动高压实验测得的粘性系数还包含了材料强度效应的影响;在静高压实验和分子动力学研究中,因为研究的对象为液体,所测得的粘性系数与材料强度效应无关。故动高压实验方法所测得金属在高压下的剪切粘性系数与静高压实验和分子动力学模拟的所得到的剪切粘性系数具有不同的物理意义,其值也不具有可比性。
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