CN104155179A - 一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置及测量方法，包括依次连接形成回路的储能电容、回路电感、负载、回路电阻、以及放电开关，还包括一个强磁场发生器，负载穿过强磁场发生器产生的强磁场。本发明在磁压力对样品加载过程中，由于能量沉积导致的热烧蚀深度不会超过磁扩散前沿，而磁扩散速度远小于压缩波传播波速，因此可以基本消除载流面烧蚀对加载过程的影响；相对于现有的测量装置和测量方法而言，本发明可以直接测量固体材料在几十吉帕压力范围内屈服强度，避免了冲击加载造成的温度升高对高压下材料强度的影响，同时避免了数学模型对实验结果的影响，使得实验结果更加有效可靠。

Description

一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置及测量方法

技术领域

本发明涉及涉及动高压科学与技术、脉冲功率科学与技术领域，具体是指一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置及测量方法。 

背景技术

研究高压力下固体材料的屈服强度有着明确的需求背景和重要的学术意义，如装甲和武器设计中的防护与破坏、固体材料中界面运动不稳定性（RT不稳定性和RM不稳定性）等，此外，材料力学性能与其微结构的关系研究，迫切需要了解相关的物理规律、建立合适的物理模型作为支撑。材料的剪切应力与压力、温度和应变率相关规律就是其中的一个重要方面。 

自上世纪六十年代以来，国际上提出了多种方法来测量高压下材料的屈服强度，如弹塑性分析法、反射剪切波技术、斜板撞击法（即压剪炮技术）、各向异性晶体（如y切石英）撞击产生压剪波技术、双屈服面法（AC方法）、以及Rayleigh-Taylor不稳定增长法等。但受限于加载方式和物理实验设计的缺陷，目前测量材料高压强度的实验方法主要是基于平板撞击的双屈服面法和Rayleigh-Taylor不稳定增长法。双屈服面法先对样品进行冲击加载使之达到较高的应力状态，之后再对压缩状态样品进行二次加载使之达到上屈服面，或是卸载使之达到下屈服面，由上下屈服面的差值来给出材料在高压下的屈服强度。这种方法的不足之处是：它首先要求预冲击加载具有足够宽的高压力平台，确保再次冲击和等熵卸载都是在样品处于均匀应力状态的基础上进行的；其次，样品受预冲击加载时其熵增和温升不容忽视，压力对材料强度的影响伴随着不易区分的应变率效应和热软化问题。采用不稳定增长法计算材料强度时，由于判定的标准为数值模拟的结果和实验观测的吻合程度，因此该方法获得的材料强度结果不仅和材料参数相关，而且与计算所采取的材料模型精度相关。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种物理假定简单、数据处理方便的直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置及测量方法，解决目前高压力下固体材料的屈服强度测量中存在的材料的物理模型假定多、温度和压力对材料强度影响难以分离等问题，利用新的测量装置和测量方法进行材料强度的测量。 

本发明的目的通过下述技术方案实现： 

一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置，包括依次连接形成回路的储能电容、回路电感、负载、回路电阻、以及放电开关，还包括一个强磁场发生器，负载穿过强磁场发生器产生的强磁场。本发明利用RLC回路构建成一套脉冲大电流装置，并将负载电极接入脉冲大电流装置的放电回路，其特点是放电回路的储能较大，回路电感和电阻很小，当开关导通后，储存在电容器里的能量瞬间释放，回路产生脉冲大电流并流经负载，装置对负载放电时，脉冲大电流流经负载并在两个电极板之间的间隙中感生脉冲强磁场，受趋肤效应影响，电流集中在电极板内表面流过，带电极板在感生强磁场中承受的洛伦兹力集中在载流面附近，可近似为面积力，即磁压力，磁压力方向指向电极板内部，向电极板内部传播并进入实验样品；带电极板在外部磁场作用下将受横向的洛伦兹力，同样的，由于趋肤效应，横向洛伦兹力集中在电极板的内表面，形成横向的剪切力边界，由于纵向的磁压力和横向的磁剪切力分别由脉冲大电流装置的放电电流在自身感生的磁场和外部磁场中感应的洛伦兹力而来，因此在电极板内表面形成的磁压力和横向剪切力与放电电流同步。在电极板内表面，形成一维轴向应变和一维剪切应变联合加载的应力状态，在此情况下，纵向（X向）应力的剪切分量和横向（Y向）剪切分量与材料的屈服强度Y有如下关系：

由于剪切应力为外部驱动力，为从动变量，当达到其最大值时，从动变量将减小至零，此时，材料的屈服强度与切向应力的关系为：

 

剪切应力的值可通过测量样品横向速度剖面的弹性段幅值进行计算：

 

其中，是材料密度，是剪切波速，是自由面横向速度弹性段的最大值；在磁压力对样品加载过程中，由于能量沉积导致的热烧蚀深度不会超过磁扩散前沿，而磁扩散速度远小于压缩波传播波速，因此可以基本消除载流面烧蚀对加载过程的影响；相对于现有的测量装置和测量方法而言，本发明可以直接测量固体材料在几十吉帕压力范围内屈服强度，避免了冲击加载造成的温度升高对高压下材料强度的影响，同时避免了数学模型对实验结果的影响，使得实验结果更加有效可靠。

所述的负载包括与回路电阻连接的上方钼电极板、与回路电感连接的下方钼电极板，上方钼电极板与下方钼电极板的一段通过短路垫块连接，在上方钼电极板上方设置有上黄铜压块，在上黄铜压块中部开设有上ZrO₂窗口，上ZrO₂窗口与上方钼电极板之间用于安放样品；在下方钼电极板的表面设置有下黄铜压块，在下黄铜压块中部形成下ZrO₂窗口。具体地讲，当开关导通后，储存在电容器里的能量瞬间释放，回路产生脉冲大电流并流经负载，负载电极为双条板构型，双条板的一端用垫块短路连接，另一端分别连接装置的正极和负极，受趋肤效应影响，电流集中在电极板内表面流过，带电极板在感生强磁场中承受的洛伦兹力集中在载流面附近，可近似为面积力，即磁压力。 

所述的强磁场发生器为RLC放电回路，脉冲电流通过放电回路中的电感元件线圈时，在线圈的腔体内部产生瞬态强磁场。放电过程中初始存储在电容中的能量将在电容和电感之间振荡转换。具体地讲，脉冲电流通过放电回路中的电感元件线圈对时，在线圈的腔体内部产生瞬态强磁场，磁场发生器动作时，产生的瞬态磁场在其99%-100%峰值区域有足够的时间宽度，在该时间窗口内，脉冲大电流装置动作并对负载放电：即当脉冲大电流装置对负载放电时，磁场发生器产生的外部磁场处于其峰值点并基本保持不变，调节外部磁场与负载区域电流的方向使其相互垂直，在此条件下，带电极板在外部磁场作用下将受横向的洛伦兹力，同样的，由于趋肤效应，横向洛伦兹力集中在电极板的内表面，形成横向的剪切力边界。 

一种直接测量材料高压强度的方法，包括以下步骤： 

（a）首先将负载接入脉冲大电流装置，再对脉冲大电流装置充电，充电电压达到设定值后，断开充电回路开关，打开放电开关，使得脉冲大电流装置对负载放电, 采用罗果夫斯基线圈测量通过负载的脉冲电流形状与幅值。设放电开关的动作指令时间为T₀，记录罗果夫斯基线圈的信号起跳时间T₁，放电电流的上升时间ΔT₁；

（b）对外部磁场发生器的电容充电，充电电压到达设定值后，断开充电回路开关，打开放电开关，使得磁场发生器电容对线圈放电，采用B-dot测量回路线圈腔内的磁场形状与幅值：脉冲磁场发生器的放电开关的动作指令时间也为T₀，B-dot记录的信号起跳时间T₂，瞬态磁场的上升时间ΔT₂，99%-100%幅值区域的时间宽度为ΔT₃

（c）比较ΔT₁和ΔT₃的大小，当ΔT₃>>ΔT₁, 使得脉冲大电流装置放电过程中脉冲磁场发生器产生的强磁场处于稳恒状态，将瞬态磁场发生器接入脉冲大电流负载区域，根据流经负载的脉冲大电流上升时间ΔT₁，调整钼电极的厚度h>ΔT₁C₀/2，其中C₀是钼的纵波声速, 使得磁加载压力达到与加载电流相对应的极大值；

（d）脉冲磁场发生器的放电指令和脉冲大电流装置的放电指令为同一个指令，设置脉冲大电流装置的动作时间延迟为T₁+ΔT₁-T₂-ΔT₂；分别对脉冲大电流装置和瞬态磁场发生器装置充电至设定值，在T₀时刻，触发放电开关；

（e）采用三探头VISAR测量ZrO₂窗口自由面的纵向和横向速度历史，计算加载压力的峰值P和相应峰值压力下的材料强度Y:

                                                                其中ρ ₀是ZrO₂材料的初始密度，C ₀，λ是ZrO₂材料的冲击Hugoniot参数，C _s是弹性剪切波速，U_xmax是自由面的纵向速度峰值，U_yemax是横向速度弹性段峰值。

本发明电极板采用高强度的钼板以保证在磁压力和磁剪切力联合作用下获得最大的剪切力，钼板上面覆盖黄铜支撑块以避免加载过程中钼板的高速运动，样品材料为相对较软的金属薄片，样品粘接在钼极板上，样品上方粘贴强度较大的透明窗口ZrO₂以保证样品中的剪切波能够完全的传入窗口，测量窗口自由面的纵向速度和横向速度，由此可计算加载压力和该压力峰值时的剪切强度。 

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果： 

1本发明一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置及测量方法，在磁压力对样品加载过程中，由于能量沉积导致的热烧蚀深度不会超过磁扩散前沿，而磁扩散速度远小于压缩波传播波速，因此可以基本消除载流面烧蚀对加载过程的影响；相对于现有的测量装置和测量方法而言，本发明可以直接测量固体材料在几十吉帕压力范围内屈服强度，避免了冲击加载造成的温度升高对高压下材料强度的影响，同时避免了数学模型对实验结果的影响，使得实验结果更加有效可靠；

2本发明一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置及测量方法，电极板采用高强度的钼板以保证在磁压力和磁剪切力联合作用下获得最大的剪切力，钼板上面覆盖黄铜支撑块以避免加载过程中钼板的高速运动，样品材料为相对较软的金属薄片，样品粘接在钼极板上，样品上方粘贴强度较大的透明窗口ZrO₂以保证样品中的剪切波能够完全的传入窗口，测量窗口自由面的纵向速度和横向速度，由此可计算加载压力和该压力峰值时的剪切强度 。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中： 

图1为本发明原理框图；

图2为本发明负载部分的结构原理图；

图3为脉冲大电流装置对负载放电的电流波形图；

图4为励磁电流和线圈的感生磁场波形图；

图5为ZrO₂窗口自由面的纵向速度信号；

图6为ZrO₂窗口自由面的横向速度信号。

附图中标记及相应的零部件名称： 

1-储能电容，2-回路电感，3-放电开关，4-回路电阻，5-负载，51-上方钼电极板，52-下方钼电极板，53-短路垫块，54-上黄铜压块，55-上ZrO₂窗口，56-下黄铜压块，57-下ZrO₂窗口，58-线圈，59-样品。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。 

实施例

如图1至2所示，本发明一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置，首先建立一套脉冲大电流装置，包括依次连接形成回路的储能电容1、回路电感2、负载5、回路电阻4、以及放电开关3，其中储能电容1为20台MCF100/1.6低电感电容器，额定电压100kV，电容1.6mF，回路电感2为脉冲大电流装置的等效电感，其值在10nH左右，回路电阻4为脉冲大电流装置的等效电阻，放电开关3为同轴型三电极气体开关，负载5包括与回路电阻4连接的上方钼电极板51（纯度99.9%）、与回路电感2连接的下方钼电极板52（纯度99.9%），上方钼电极板51与下方钼电极板52的一段通过短路钼垫块53连接，在上方钼电极板51上方设置有上H63黄铜压块54，在上黄铜压块54中部开设有上ZrO₂窗口55，上ZrO₂窗口55与上方钼电极板51之间用于安放样品59；在下方钼电极板52的表面设置有下H63黄铜压块56，在下黄铜压块56中部形成下ZrO₂窗口57，然后建立一套用于产生瞬态强磁场的磁场发生器，强磁场发生器为RLC放电回路，脉冲电流通过放电回路中的电感元件线圈时，在线圈的腔体内部产生瞬态强磁场，放电过程中初始存储在电容中的能量将在电容和电感之间振荡转换，脉冲电流通过放电回路中的电感元件为绕线50匝，内半径3cm，上下线圈距离10cm的线圈对，在线圈的腔体内部产生瞬态强磁场(磁感强度8T~10T)，磁场发生器动作时，产生的瞬态磁场在其99%-100%峰值区域有足够的时间宽度，在该时间窗口内，脉冲大电流装置动作并对负载放电。 

利用以上的装置系统，按照以下步骤来测量纯铝材料的强度， 

（a）首先将负载接入脉冲大电流装置，再对脉冲大电流装置充电，充电电压达到设定值后，断开充电回路开关，打开放电开关，使得脉冲大电流装置对负载放电, 放电电流波形如图3所示，采用罗果夫斯基线圈测量通过负载的脉冲电流形状与幅值，设放电开关的动作指令时间为T₀，记录罗果夫斯基线圈的信号起跳时间T₁=T₀+1.6 ms，放电电流的上升时间ΔT₁(0.5ms)；

（b）对外部磁场发生器的电容充电，充电电压到达设定值后，断开充电回路开关，打开放电开关，使得磁场发生器电容对线圈放电，励磁电流和线圈的感生磁场波形如图4所示，采用B-dot测量回路线圈腔内的磁场形状与幅值：脉冲磁场发生器的放电开关的动作指令时间也为T₀，B-dot记录的信号起跳时间T₂=T₀+365 ms，瞬态磁场的上升时间ΔT₂（1500 ms），99%-100%幅值区域的时间宽度为ΔT₃（120ms）；

（c）比较ΔT₁和ΔT₃的大小，当ΔT₃>>ΔT₁, 使得脉冲大电流装置放电过程中脉冲磁场发生器产生的强磁场处于稳恒状态，将瞬态磁场发生器接入脉冲大电流负载区域，根据流经负载的脉冲大电流上升时间ΔT₁，调整钼电极的厚度h>ΔT₁C₀/2，其中C₀是钼的纵波声速, 使得磁加载压力达到与加载电流相对应的极大值；

（d）脉冲磁场发生器的放电指令和脉冲大电流装置的放电指令为同一个指令，设置脉冲大电流装置的动作时间延迟为1860 ms；分别对脉冲大电流装置和瞬态磁场发生器装置充电至设定值，在T₀时刻，触发放电开关；

（e）采用三探头VISAR测量ZrO₂窗口自由面的纵向和横向速度历史，速度信号如图5至图6所示，计算加载压力的峰值P和相应峰值压力下的材料强度Y:

                                                                     其中ρ ₀=5.91g/cm³是ZrO₂材料的初始密度，C ₀=8.28km/s，λ=1.4是ZrO₂材料的冲击Hugoniot参数，C _s=3.14km/s是弹性剪切波速，U_xmax是自由面的纵向速度峰值(取值为247m/s)，U_yemax是横向速度弹性段峰值(取值为23m/s)，由此计算加载压力和材料强度分别为：

 。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置，其特征在于：包括依次连接形成回路的储能电容（1）、回路电感（2）、负载（5）、回路电阻（4）、以及放电开关（3），还包括一个强磁场发生器，负载（5）穿过强磁场发生器产生的强磁场。

2.根据权利要求1所述的一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置，其特征在于：所述的负载包括与回路电阻（4）连接的上方钼电极板（51）、与回路电感（2）连接的下方钼电极板（52），上方钼电极板（51）与下方钼电极板（52）的一段通过短路垫块（53）连接，在上方钼电极板（51）上方设置有上黄铜压块（54），在上黄铜压块（54）中部开设有上ZrO₂窗口（55），上ZrO₂窗口（55）与上方钼电极板（51）之间用于安放样品（59）；在下方钼电极板（52）的表面设置有下黄铜压块（56），在下黄铜压块（56）中部形成下ZrO₂窗口（57）。

3.根据权利要求2所述的一种直接测量材料高压强度的磁驱动压力装置，其特征在于：所述的强磁场发生器为RLC放电回路，脉冲电流通过放电回路中的电感元件线圈（58）时，在线圈（58）的腔体内部产生瞬态强磁场。

4.一种直接测量材料高压强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）首先将负载接入脉冲大电流装置，再对脉冲大电流装置充电，充电电压达到设定值后，断开充电回路开关，打开放电开关，使得脉冲大电流装置对负载放电, 采用罗果夫斯基线圈测量通过负载的脉冲电流形状与幅值；

设放电开关的动作指令时间为T₀，记录罗果夫斯基线圈的信号起跳时间T₁，放电电流的上升时间ΔT₁；

（b）对外部磁场发生器的电容充电，充电电压到达设定值后，断开充电回路开关，打开放电开关，使得磁场发生器电容对线圈放电，采用B-dot测量回路线圈腔内的磁场形状与幅值：脉冲磁场发生器的放电开关的动作指令时间也为T₀，B-dot记录的信号起跳时间T₂，瞬态磁场的上升时间ΔT₂，99%-100%幅值区域的时间宽度为ΔT₃

（c）比较ΔT₁和ΔT₃的大小，当ΔT₃>>ΔT₁, 使得脉冲大电流装置放电过程中脉冲磁场发生器产生的强磁场处于稳恒状态，将瞬态磁场发生器接入脉冲大电流负载区域，根据流经负载的脉冲大电流上升时间ΔT₁，调整钼电极的厚度h>ΔT₁C₀/2，其中C₀是钼的纵波声速, 使得磁加载压力达到与加载电流相对应的极大值；

（d）脉冲磁场发生器的放电指令和脉冲大电流装置的放电指令为同一个指令，设置脉冲大电流装置的动作时间延迟为T₁+ΔT₁-T₂-ΔT₂；分别对脉冲大电流装置和瞬态磁场发生器装置充电至设定值，在T₀时刻，触发放电开关；

（e）采用三探头VISAR测量ZrO₂窗口自由面的纵向和横向速度历史，计算加载压力的峰值P和相应峰值压力下的材料强度Y:

其中ρ ₀是ZrO₂材料的初始密度，C ₀，λ是ZrO₂材料的冲击Hugoniot参数，C _s是弹性剪切波速，U_xmax是自由面的纵向速度峰值，U_yemax是横向速度弹性段峰值。