动态超高压技术

动态超高压技术（dynamic ultra-high pressure technique）极强的冲击波（即激波）在介质（主要指固体）中传播时，会使介质的压力、密度、温度等状态参量发生急剧变化。这种状态称为动态超高压状态，产生强冲击波的技术称为动态超高压技术。动态超高压技术及其理论是在第二次世界大战后期发展成熟的。它的任务通常是研究固体靶在动态超高压（压力达100千巴以上，1巴等于105帕）条件下的力学性质。在这种情况下，靶材料的剪切刚度对它们力学响应特性的影响可忽略不计。

形成原理

产生强冲击波的方法主要有：①接触爆炸法；②高速碰撞法；③能量快速沉积法；④冲击波马赫反射法。

接触爆炸法

利用爆轰的高温高压产物对其周围介质的膨胀做功，产生巨大的冲击作用。化学炸药与固体靶接触爆炸(装置见图1[化学炸药的接触爆炸装置示意图])时，在靶中能产生数十千巴到数百千巴的冲击压力。核爆炸比化学炸药爆炸猛烈得多。在封闭式核爆炸条件下（装置见图2[封闭式核爆炸的高压装置]），核爆炸的高温产物也对周围介质产生巨大的冲击压力。一个兆吨级TNT当量的核爆炸,在邻接爆室壁的被研究样品中约可产生数兆巴到20兆巴的冲击压力。另外，如果用核爆炸产生的中子去引发相距不远的U,也可以在贴紧铀块的固体材料中产生强冲击波。美国的C.E.拉根（第三）等就用这方法在钼样品中产生了20兆巴压力的冲击波（装置见图3[拉根（第三）等设计的核爆高压装置]）。

高速碰撞法

高速弹丸与静止靶相碰，可以在靶中产生强冲击波。当靶材料一定时,碰撞面上的压力p同弹丸密度ρ、弹丸速度v的关系如下: p∝ρv。加速弹丸的方法主要有气炮加速法和爆炸加速法。

气炮装置一般由高压室、快门机构(活塞头或膜片)、发射管、弹丸等组成（图4 [气炮结构示意图]）。

实验时，先向高压室充气，达到预定压力时，快门机构迅速打开，高压气体随之进入发射管，弹丸作加速运动，最后平稳地与靶相碰。工作气体通常为空气或氮气，弹丸速度在每秒2000米以下，靶压力在数百千巴以下。如果改用火药推动的活塞压缩高压室中的气体，然后驱动发射管中弹丸，还能进一步提高弹丸的速度。这种装置称为二级轻气炮（图5[二级轻气炮结构示意图]）, 工作气体为氦气或氢气，固体靶中压力可达6～7兆巴。如果用金属箔电爆炸产生的高压蒸气代替高压室气体，就成为一种电炮装置（图6 [电炮结构示意图]）。

在这种装置中，飞片（即弹丸）由金属蒸气推动，经过几毫米长的发射管加速，也可以得到每秒几百米到一万多米的速度。电炮的飞片很薄，所以靶内冲击脉冲作用时间较短。化爆加速飞片的典型装置如图7 [化爆加速飞片装置示意图]所示。

飞片在爆轰产物的推动下，在数十毫米长的飞行空腔内充分吸收爆轰产物提供的能量，最后达到稳定速度，其值为每秒近一千米到一万多米。聚能装药是一种产生高速射流(可视为无数弹丸的集合体)的装置（图8[聚能装药装置和射流形成过程示意图]之a）。在爆轰波作用下,金属罩发生轴向运动,在轴线处相碰，并形成一股沿轴线运动的高速射流以及后随的低速杵体（射流形成过程见图8[ 聚能装药装置和射流形成过程示意图]之b）。头部射流速度可高达每秒20千米以上,但是射流形状和速度不易严格控制。此外，还有静电加速和电磁场加速弹丸等方法。这些方法驱动弹丸的质量较小，弹丸性能也难以精确控制，较少采用。

能量快速沉积法

在激光、电子束或核爆炸产生的强X射线等高功率辐照源的照射下,固体靶表面的一薄层物质会在能量快速沉积作用下迅速加热，因而产生一个向深处的“冷”靶内传播的强冲击波（见粒子束爆炸）。已发表的资料多数是脉冲电子束的实验结果，其压力从数十千巴到一兆巴左右。另外，根据美国的R.J.特雷纳等人的分析，利用激光装置Shiva（能量10焦耳，激光脉冲半宽度1纳秒）,可望在氘、氢化锂、铁和铀中产生50～100兆巴的冲击压力。

冲击波马赫反射法

如果采取措施使利用上述方法产生的强冲击波形成马赫反射(见空中爆炸)，可以提高冲击压力。苏联的..阿尔特舒勒等人提出了如图9 [平面冲击波马赫反射高压装置]所示的高压装置。

实验中，用 420千巴的平面入射冲击波，在铁靶中发生马赫反射，产生1.71兆巴的高压（在马赫波区）；当入射波压力提高到1.7兆巴时，铁靶中马赫波后的压力为6兆巴。法国的德博蒙等人还设计成锥形会聚冲击波的马赫反射高压装置(图10[锥形会聚冲击波马赫反射高压装置])：铜飞片在爆轰产物推动下，同时撞击一锥形靶表面，在靶中产生锥形会聚冲击波，并在中心轴的部位上发生马赫反射。他利用这个装置，分别在铀和铜中产生15兆巴和12兆巴的压力。

技术应用

动态超高压技术在物态方程测量、人工合成新材料（如金刚石）、地球内部结构研究、冲击引爆机理、陨石成坑及对空间飞行器的破坏，以及穿甲、侵彻、爆炸加工等研究工作中是一项重要技术，被广泛应用于固体物理、天体物理、地球物理、固体化学、爆炸力学、军事科学等学科以及许多工业技术的研究工作中。

参考书目

R.S. Bradley，ed.,High Pressure Physics and Chemistry，Vol.2，Chap.9，Academic Press，New York，1963.

P.C. Chon and Hopkins，ed.,Dynamic Response of Materials to Intense Impulsive Loading，Chap.8，p.405，U.S.A.，1973.

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