一種直接測量材料高壓強度的磁驅動壓力裝置及測量方法
【專利摘要】本發明公布了一種直接測量材料高壓強度的磁驅動壓力裝置及測量方法，包括依次連接形成回路的儲能電容、回路電感、負載、回路電阻、以及放電開關，還包括一個強磁場發生器，負載穿過強磁場發生器產生的強磁場。本發明在磁壓力對樣品加載過程中，由于能量沉積導致的熱燒蝕深度不會超過磁擴散前沿，而磁擴散速度遠小于壓縮波傳播波速，因此可以基本消除載流面燒蝕對加載過程的影響；相對于現有的測量裝置和測量方法而言，本發明可以直接測量固體材料在幾十吉帕壓力范圍內屈服強度，避免了沖擊加載造成的溫度升高對高壓下材料強度的影響，同時避免了數學模型對實驗結果的影響，使得實驗結果更加有效可靠。
【專利說明】一種直接測量材料高壓強度的磁驅動壓力裝置及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及涉及動高壓科學與技術、脈沖功率科學與【技術領域】，具體是指一種直 接測量材料高壓強度的磁驅動壓力裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002] 研究高壓力下固體材料的屈服強度有著明確的需求背景和重要的學術意義，如裝 甲和武器設計中的防護與破壞、固體材料中界面運動不穩定性（RT不穩定性和RM不穩定 性）等，此外，材料力學性能與其微結構的關系研究，迫切需要了解相關的物理規律、建立合 適的物理模型作為支撐。材料的剪切應力與壓力、溫度和應變率相關規律就是其中的一個 重要方面。
[0003] 自上世紀六十年代以來，國際上提出了多種方法來測量高壓下材料的屈服強度， 如彈塑性分析法、反射剪切波技術、斜板撞擊法（即壓剪炮技術)、各向異性晶體(如y切石 英）撞擊產生壓剪波技術、雙屈服面法（AC方法)、以及Rayleigh-Taylor不穩定增長法等。 但受限于加載方式和物理實驗設計的缺陷，目前測量材料高壓強度的實驗方法主要是基于 平板撞擊的雙屈服面法和Rayleigh-Taylor不穩定增長法。雙屈服面法先對樣品進行沖擊 加載使之達到較高的應力狀態，之后再對壓縮狀態樣品進行二次加載使之達到上屈服面， 或是卸載使之達到下屈服面，由上下屈服面的差值來給出材料在高壓下的屈服強度。這種 方法的不足之處是：它首先要求預沖擊加載具有足夠寬的高壓力平臺，確保再次沖擊和等 熵卸載都是在樣品處于均勻應力狀態的基礎上進行的；其次，樣品受預沖擊加載時其熵增 和溫升不容忽視，壓力對材料強度的影響伴隨著不易區分的應變率效應和熱軟化問題。采 用不穩定增長法計算材料強度時，由于判定的標準為數值模擬的結果和實驗觀測的吻合程 度，因此該方法獲得的材料強度結果不僅和材料參數相關，而且與計算所采取的材料模型 精度相關。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種物理假定簡單、數據處理方便的直接測量材料高壓強 度的磁驅動壓力裝置及測量方法，解決目前高壓力下固體材料的屈服強度測量中存在的材 料的物理模型假定多、溫度和壓力對材料強度影響難以分離等問題，利用新的測量裝置和 測量方法進行材料強度的測量。
[0005] 本發明的目的通過下述技術方案實現： 一種直接測量材料高壓強度的磁驅動壓力裝置，包括依次連接形成回路的儲能電容、 回路電感、負載、回路電阻、以及放電開關，還包括一個強磁場發生器，負載穿過強磁場發生 器產生的強磁場。本發明利用RLC回路構建成一套脈沖大電流裝置，并將負載電極接入脈 沖大電流裝置的放電回路，其特點是放電回路的儲能較大，回路電感和電阻很小，當開關導 通后，儲存在電容器里的能量瞬間釋放，回路產生脈沖大電流并流經負載，裝置對負載放電 時，脈沖大電流流經負載并在兩個電極板之間的間隙中感生脈沖強磁場，受趨膚效應影響， 電流集中在電極板內表面流過，帶電極板在感生強磁場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部，向電極板內部傳播并進入實 驗樣品；帶電極板在外部磁場作用下將受橫向的洛倫茲力，同樣的，由于趨膚效應，橫向洛 倫茲力集中在電極板的內表面，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和外部磁場中感應的洛倫茲力 而來，因此在電極板內表面形成的磁壓力和橫向剪切力與放電電流同步。在電極板內表面， 形成一維軸向應變和一維剪切應變聯合加載的應力狀態，在此情況下，縱向（X向)應力的剪 切分量和橫向（Y向）剪切分量與材料的屈服強度7有如下關系：
【權利要求】
1. 一種直接測量材料高壓強度的磁驅動壓力裝置，其特征在于：包括依次連接形成回 路的儲能電容（1)、回路電感（2)、負載（5)、回路電阻（4)、以及放電開關（3)，還包括一個強 磁場發生器，負載（5)穿過強磁場發生器產生的強磁場。
2. 根據權利要求1所述的一種直接測量材料高壓強度的磁驅動壓力裝置，其特征在 于：所述的負載包括與回路電阻（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)上方設置有上黃銅壓塊（54)，在上黃銅壓塊（54)中部開設有上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. 根據權利要求2所述的一種直接測量材料高壓強度的磁驅動壓力裝置，其特征在 于：所述的強磁場發生器為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，在線圈（58)的腔體內部產生瞬態強磁場。
4. 一種直接測量材料高壓強度的方法，其特征在于，包括以下步驟： (a) 首先將負載接入脈沖大電流裝置，再對脈沖大電流裝置充電，充電電壓達到設定值 后，斷開充電回路開關，打開放電開關，使得脈沖大電流裝置對負載放電，采用羅果夫斯基 線圈測量通過負載的脈沖電流形狀與幅值； 設放電開關的動作指令時間為I，記錄羅果夫斯基線圈的信號起跳時間?\，放電電流 的上升時間八!\ ; (b) 對外部磁場發生器的電容充電，充電電壓到達設定值后，斷開充電回路開關，打開 放電開關，使得磁場發生器電容對線圈放電，采用B-dot測量回路線圈腔內的磁場形狀與 幅值：脈沖磁場發生器的放電開關的動作指令時間也為I，B-dot記錄的信號起跳時間T 2， 瞬態磁場的上升時間ΛΤ2,99%-100%幅值區域的時間寬度為ΛΤ3 (c) 比較Λ ?\和Λ Τ3的大小，當Λ Τ3>> Λ ?\，使得脈沖大電流裝置放電過程中脈沖磁 場發生器產生的強磁場處于穩恒狀態，將瞬態磁場發生器接入脈沖大電流負載區域，根據 流經負載的脈沖大電流上升時間Λ ?\，調整鑰電極的厚度h> Λ TiQ/2,其中Q是鑰的縱波聲 速，使得磁加載壓力達到與加載電流相對應的極大值； (d) 脈沖磁場發生器的放電指令和脈沖大電流裝置的放電指令為同一個指令，設置脈 沖大電流裝置的動作時間延遲為;分別對脈沖大電流裝置和瞬態磁場發生 器裝置充電至設定值，在I時刻，觸發放電開關； (e) 采用三探頭VISAR測量Zr02窗口自由面的縱向和橫向速度歷史，計算加載壓力的 峰值P和相應峰值壓力下的材料強度7:
其中是Zr02材料的初始密度，G，λ是Zr02材料的沖擊Hugoniot參數，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】G01N3/08GK104155179SQ201410424560
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】羅斌強, 王桂吉, 陳學秒, 譚福利, 趙劍衡, 孫承緯 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所
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