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
【专利摘要】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。
【专利说明】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

【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】

[0004] 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。
[0005] 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7有如下关系：

【权利要求】
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)连接的上方钥电极板（51)、与回路电感（2)连接的下方 钥电极板（52)，上方钥电极板（51)与下方钥电极板（52)的一段通过短路垫块（53)连接，在 上方钥电极板（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Zr0 2窗 口（55)，上Zr02窗口（55)与上方钥电极板（51)之间用于安放样品（59);在下方钥电极板 (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Zr02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I，记录罗果夫斯基线圈的信号起跳时间?\，放电电流 的上升时间八!\ ; (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I，B-dot记录的信号起跳时间T 2， 瞬态磁场的上升时间ΛΤ2,99%-100%幅值区域的时间宽度为ΛΤ3 (c) 比较Λ ?\和Λ Τ3的大小，当Λ Τ3>> Λ ?\，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Λ ?\，调整钥电极的厚度h> Λ TiQ/2,其中Q是钥的纵波声 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;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I时刻，触发放电开关； (e) 采用三探头VISAR测量Zr02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7:
其中是Zr02材料的初始密度，G，λ是Zr02材料的冲击Hugoniot参数，C；是弹性 剪切波速，Uxmax是自由面的纵向速度峰值，Uy_x是横向速度弹性段峰值。
【文档编号】G01N3/08GK104155179SQ201410424560
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】罗斌强, 王桂吉, 陈学秒, 谭福利, 赵剑衡, 孙承纬 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所