強激光加載下錫材料微噴顆粒與氣體混合回收實驗研究及顆粒度分析?

辛建婷 趙永強 儲根柏 席濤 稅敏 范偉 何衛(wèi)華 谷渝秋

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子物理重點實驗室,綿陽 621900)

強激光加載下錫材料微噴顆粒與氣體混合回收實驗研究及顆粒度分析?

辛建婷 趙永強 儲根柏 席濤 稅敏 范偉 何衛(wèi)華?谷渝秋?

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子物理重點實驗室,綿陽 621900)

強激光,微噴顆粒,氣體混合,計算機斷層分析

1 引 言

強激光輻照金屬材料表面,會在金屬樣品中驅(qū)動一個衰減沖擊波,當(dāng)沖擊波從金屬自由面反射時,金屬表面會發(fā)生微噴射現(xiàn)象.材料在沖擊載荷作用下形成微噴的機理是十分重要的基礎(chǔ)物理問題,在工程技術(shù)中也有重要的應(yīng)用.早在20世紀(jì)50年代,科學(xué)家就觀測到了微噴射現(xiàn)象[1],并開展了大量的研究[2?5].已有的實驗和理論研究均表明,金屬表面形成微噴射的影響因素很多,是多種材料狀態(tài)因素與動力學(xué)條件相互耦合、多機理的復(fù)雜動力學(xué)過程,而形成微噴射的原因也非常復(fù)雜.Sorenson等[6]認(rèn)為在沖擊波作用下,金屬樣品表面的微孔洞雜質(zhì)等會形成噴射,而微小劃痕、微坑等缺陷會形成微射流.而當(dāng)沖擊波壓強較高,造成材料的沖擊熔化或卸載熔化時,卸載稀疏波會在熔化狀態(tài)的材料中形成很強的拉應(yīng)力,也會形成材料液體微滴從自由面噴出,這個物理過程被稱為微層裂.

對于微噴過程的研究,早期主要是采用炸藥爆轟和高速飛片碰撞等加載方法開展相關(guān)實驗,隨著激光技術(shù)的發(fā)展,利用強激光驅(qū)動沖擊加載成為開展材料微噴過程研究的一種新方法.法國Rességuier研究團隊[7?12]近年來采用強激光驅(qū)動加載開展了較多金屬材料微層裂形成微噴顆粒的軟回收實驗和顆粒尺寸分布規(guī)律的理論研究,對微層裂過程形成的微顆粒的尺寸分布規(guī)律進行了分析,同時還采用可見光分幅陰影照相對金屬表面微槽形成的射流過程進行了診斷和規(guī)律性研究.我們的研究團隊也基于神光III原型裝置開展了真空中強激光驅(qū)動錫材料序列加載壓強下的微噴顆?；厥諏嶒炑芯縖13?15],對不同加載壓強下微噴顆粒的形態(tài)和分布特性進行了分析,真空中回收微噴顆粒的分析結(jié)果顯示在較低加載壓強下,材料后表面發(fā)生層裂,回收觀測到的是片狀的層裂片;當(dāng)沖擊壓力較高,材料在沖擊或卸載過程中發(fā)生熔化,由微層裂過程形成了大量球形微顆粒,其顆粒尺寸在幾十微米到百微米范圍;而材料表面的微槽等微缺陷由于材料表面的運動擠壓碰撞形成的高速微射流,其微顆粒尺寸范圍在幾微米到幾十微米[14].我們前期的實驗研究和分析表明,真空條件下微噴顆粒的尺寸分布符合指數(shù)分布規(guī)律[15].

隨著對微噴物理過程和發(fā)生發(fā)展規(guī)律研究的不斷深入,微噴物與氣體的混合過程也受到各國相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注[4,16?18],不同噴射速度、不同顆粒尺寸的微噴顆粒在與氣體發(fā)生混合過程的二次破碎以及輸運規(guī)律等,是慣性約束聚變、內(nèi)爆壓縮科學(xué)等研究領(lǐng)域關(guān)注的重要問題,但是目前對微噴顆粒與氣體混合物理過程的認(rèn)識還十分有限,相關(guān)實驗數(shù)據(jù)也較為缺乏.本文基于前期的實驗研究和分析基礎(chǔ),采用低密度泡沫的軟回收技術(shù),利用神光III原型裝置設(shè)計開展了強激光驅(qū)動沖擊加載錫材料微噴顆粒與氣體混合回收實驗,對與氣體混合后回收的微噴顆粒進行了計算機斷層(CT)掃描檢測和圖像解讀,并對顆粒度分布規(guī)律進行了分析.

2 實驗

微噴顆粒與氣體混合回收實驗在中國工程物理研究院激光聚變研究中心神光III原型激光裝置上開展,實驗排布如圖1所示.

圖1 實驗排布示意圖Fig.1.Schematic of the experimental setup.

實驗中采用神光III原型裝置第九路激光作為加載激光束,采用連續(xù)相位板(CPP)對激光束進行束勻化,通過CPP的加載激光束能量在靶面3 mm光斑直徑內(nèi)均勻分布,激光束脈沖寬度3 ns,波長351 nm.實驗設(shè)計的充氣回收靶結(jié)構(gòu)如圖2所示.靶主體分為兩個部分,前半部分為充氣區(qū),充氣筒為矩形,邊寬10 mm×10 mm,充氣筒長度10 mm.靶后半部分為回收泡沫,回收泡沫為聚氯乙烯材料,密度200 mg/cm3,回收泡沫長度10 mm,充氣區(qū)與回收泡沫之間采用500 nm厚度的聚酰亞胺薄膜間隔.靶片為100μm的錫平面靶,貼在厚度1 mm的鋁板上,鋁板起到對氣區(qū)密封的作用.實驗結(jié)束后,通過靶室下部安裝的回收裝置對泡沫樣品進行回收.

圖2 充氣回收靶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.Schematic of the target designed for studying the mixing process of fragments and gas.

實驗中的充壓氣體為氮氣,充氣壓力為1 atm(1.01325×105Pa),在激光打靶實驗零時前通過充氣管向充氣筒中充氣,充氣管通過真空轉(zhuǎn)接法蘭與靶室外的充氣設(shè)備相連,實驗過程中充氣筒內(nèi)的氣壓保持為1 atm.

實驗中加載激光參數(shù)是根據(jù)一維流體力學(xué)程序Hyades進行數(shù)值預(yù)估結(jié)果設(shè)計的,該程序可以對激光與物質(zhì)相互作用和在金屬靶內(nèi)驅(qū)動沖擊波的過程進行計算分析,其中錫材料的熱力學(xué)和狀態(tài)方程參數(shù)采用Sesame庫數(shù)據(jù)[14].我們開展了不同激光能量加載條件下激光束在錫靶內(nèi)驅(qū)動的沖擊波過程的數(shù)值預(yù)估,根據(jù)數(shù)值預(yù)估的結(jié)果,設(shè)計加載激光能量參數(shù).

3 實驗結(jié)果與分析

利用神光III原型激光裝置的第九路強激光驅(qū)動沖擊加載,共設(shè)計開展了錫材料兩個典型加載壓強條件下的充氣混合回收實驗,實驗中加載激光束能量實際測量分別為2260和1531 J.由于實驗中靶樣品的充氣和回收結(jié)構(gòu)的限制,未進行錫自由面速度剖面的測量,不能根據(jù)自由面速度對靶內(nèi)加載壓強進行計算,我們采用Hyades程序根據(jù)實驗激光加載參數(shù),計算給出了錫材料后表面附近的加載壓強.圖3所示為錫靶樣品中沖擊波傳播到自由面附近位置時的壓力波形,可以解讀出錫樣品自由面附近的沖擊壓強分別為3.4 GPa(1531 J)和32 GPa(2260 J),這兩個壓強點分別對應(yīng)錫材料的低壓層裂和卸載熔化狀態(tài),如錫材料的溫度-壓力相圖(圖4)中所示.

圖3 實驗加載激光能量條件下錫靶自由面附近壓強計算結(jié)果 (a)激光能量為1531 J;(b)激光能量為2260 JFig.3.Simulation of the pressure propagation driven by laser pulse:(a)Laser energy of 1531 J;(b)laser energy of 2260 J.

實驗后對泡沫筒進行回收,并采用X光CT掃描方法對回收了微噴顆粒的泡沫筒進行掃描分析,圖5所示為X光CT掃描的工作示意圖,X光機發(fā)出的X射線對放置于精密旋轉(zhuǎn)臺上的回收泡沫樣品進行透射成像,通過圖像采集裝置記錄回收金屬顆粒的二維圖像,旋轉(zhuǎn)樣品臺,在不同角度共獲取512幅回收樣品中金屬顆粒的二維圖像,通過圖像重建技術(shù),對這512幅二維圖像進行重建,獲得泡沫筒中回收微噴顆粒的三維圖像,其中重建的空間體素為6.27 μm(長)×6.27 μm(寬)×9.41 μm(高).

圖4 錫材料溫度-壓力相圖Fig.4.Pressure-temperature phase diagram for tin.

圖5 回收樣品X光CT掃描原理示意圖(由三英精密儀器有限公司提供測試平臺)Fig.5.Schematic of X-ray micro-tomography(the CT instrument is provided by Sanying Precision Engineering Ltd.).

圖6為實驗回收兩個泡沫樣品的DR圖像,圖中大塊的片狀碎片是錫靶激光加載作用區(qū)以外的殘片,沖擊波加載方向為自上而下.從微噴顆粒的圖像觀測到,兩發(fā)實驗的加載壓強雖然有較大差異,但回收的微噴顆粒卻都是較為均勻的小顆粒,在加載壓強高的樣品中微噴顆粒的穿透深度更深,并在回收筒底部形成了堆積,其主要原因是32 GPa加載壓強條件下形成的微噴顆粒速度比4.3 GPa加載壓強條件下微噴顆粒速度更高.

對比分析發(fā)現(xiàn),通過充氣混合區(qū)后回收的微噴顆粒圖像與真空實驗[13?15]中相同加載壓強段實驗條件下回收的微噴顆粒圖像有非常顯著的差別,在低壓加載條件下,真空實驗中回收到的是片狀碎片,其尺寸在亞毫米至毫米量級,是材料發(fā)生層裂形成的層裂碎片,而充氣混合后的回收樣品中觀測到的回收微噴顆粒(圖6(a))則沒有層裂片特征而是尺寸較為均勻的小顆粒;在較高加載壓強條件下(卸載熔化段),真空實驗回收到的微噴顆粒明顯表現(xiàn)為三個特征區(qū)間,包括回收樣品頭部區(qū)幾微米至十幾微米的小顆粒,中間部分百微米量級的片狀顆粒以及回收樣品后部直徑為幾十微米至百微米尺寸的球形顆粒,應(yīng)該是由包括材料表面微槽形成的微射流,以及微層裂等多種物理機理形成的;而這個加載壓強段,充氣混合回收樣品中觀測到的回收微噴顆粒(圖6(b)),與充氣混合低壓加載條件下的回收結(jié)果相似,回收到的微噴顆粒也基本以均勻的小顆粒為主,未觀測到明顯的顆粒尺寸、形態(tài)和穿透深度的分區(qū).

圖6 充氣回收實驗樣品DR圖像Fig.6.Digtal radiography images of fragments recovered after mixing with gas.

通過對顆粒分布的多個位置進行高空間分辨的X光CT觀測,充氣混合后回收微噴顆粒的大小在不同區(qū)域都是較為均勻的,顆粒尺寸在1—20μm范圍分布.我們選取一個典型的區(qū)域進行了高空間分辨的X光CT掃描和圖像重建,如圖7所示.

圖7 充氣混合回收微噴顆粒的三維局部圖像Fig.7.Partial image of three-dimensional reconstruction results of the recovered fragments.

圖8 等效球形直徑的累積顆粒數(shù)目統(tǒng)計結(jié)果Fig.8.Statistical results of the cumulative fragment numbers vs.their equivalent diameters.

圖9 顆粒尺寸與累積數(shù)目的分布規(guī)律擬合結(jié)果Fig.9.Distribution of the cumulative fragment numbers vs.their equivalent diameters.

采用改進分水嶺圖像分析方法[15],對回收微噴顆粒的三維圖像進行了詳細(xì)解讀,獲得了該區(qū)域內(nèi)全部顆粒的體積數(shù)據(jù)和顆粒總數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果,由于回收顆粒不是標(biāo)準(zhǔn)的球形,我們將其等效為球形顆粒進行分析,可以給出顆粒直徑與相同直徑累積顆粒數(shù)目的分析結(jié)果,如圖8所示.根據(jù)這個統(tǒng)計結(jié)果,進一步采用幾何統(tǒng)計學(xué)的方法對顆粒的分布規(guī)律進行研究,結(jié)果表明回收微噴顆粒尺寸與累積數(shù)量之間更為符合雙指數(shù)分布規(guī)律,如圖9所示.

充氣混合回收實驗與真空實驗的差異是,微噴顆粒是通過了充氣區(qū)再進行回收的,而通過與真空實驗中的回收微噴顆粒形態(tài)差異的對比和微噴顆粒度的分析,我們認(rèn)為微噴顆粒在與氣體混合過程中發(fā)生了二次破碎.王裴等[18]在對金屬微噴顆粒與氣體混合過程的數(shù)值模擬研究中發(fā)現(xiàn)微噴顆粒的氣動破碎現(xiàn)象,其數(shù)值研究結(jié)果同時顯示,氣動破碎會導(dǎo)致顆粒尺度的明顯減小,這與我們實驗觀測的結(jié)果一致.當(dāng)然,微噴顆粒與氣體混合是一個非常復(fù)雜的物理過程,后期還需要開展更為細(xì)致和深入的實驗研究.

4 結(jié) 論

基于神光III原型激光裝置,設(shè)計開展了強激光驅(qū)動的平面錫材料微噴顆粒充氣混合回收實驗研究,對充氣混合后的回收的微噴顆粒進行了X光CT掃描和三維圖像重建,獲得了兩個典型加載壓強條件下回收微噴顆粒的三維圖像.觀測到兩個典型加載壓強下回收到的微噴顆粒形態(tài)與真空實驗中回收的微噴顆粒形態(tài)隨加載壓強變化的物理圖像有顯著的差異,而微噴顆粒在與氣體混合的過程中發(fā)生氣動破碎是造成顆粒形態(tài)及其分布改變的可能原因.實驗獲得的充氣混合后回收的微噴顆粒均以小于20μm的小顆粒為主,顆粒度分布規(guī)律的分析結(jié)果顯示,微噴顆粒尺寸與累積數(shù)目的分布符合雙指數(shù)分布的規(guī)律.

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Experimental investigation of tin fragments mixing with gas subjected to laser driven shock?

Xin Jian-Ting Zhao Yong-Qiang Chu Gen-BaiXi Tao Shui Min Fan WeiHe Wei-Hua?Gu Yu-Qiu?

(Laboratory of Science and Technology on Plasma Physics,Research Center of Laser Fusion,China Academy of EngineeringPhysics,Mianyang 621900,China)

28 April 2017;revised manuscript

6 June 2017)

When a shock wave reflects from the free surface of a solid sample,fragments may be emitted from the surface.Understanding the process of the fragments mixing with gas is an important subject for current researches in inertial confinement fusion and high pressure science.Particularly,obtaining the fragments size and distribution is important for developing or validating the physical fragmentation model.At present,the reported quantitative data are less due to the great challenges in the time-resolved measurements of the fragments.

Recently,high-power laser has appeared as a promising shock loading means for fragment investigation.The advantages existing in such means mainly include small sample(～μm to mm-order),convenient dynamic diagnosis and soft recovery of fragments.Our group has performed the dynamic fragmentation experiments under laser shock loading metal.The ejected fragments under different loading pressures are softly recovered by low density medium of poly 4-methy1-1-pentene(PMP)foam.The sizes,shapes and penetration depths of the fragments are quantitatively analyzed by X-ray micro-tomography and the improved-watershed method.

This paper mainly reports the research advances in the process of the fragments mixing with gas.The laser-driven shock experiments of tin sample are performed at Shenguang-III prototype laser facility.Under two typical loading pressures,the fragments mixed with gas(N2)are recovered by PMP foam with a density of 200 mg/cm3,and the pressure of gas is 1 atm.

The high resolution reconstructed images of the recovered fragments provided by X-ray micro-tomography and computed tomography reconstruction show that the shapes of the fragments are almost homogeneous,and their sizes are in a range of about 1–20 micron.These images are very different from the images of the fragments recovered in vacuum under similar loading pressures.The observed fragments under loading pressure less than 10 GPa in vacuum are some thin layers,while the loading pressure is increased up to more than 30 GPa,a large number of small spherical particles are observed in the front of the recovery fragments,thin layers in the middle,and these spherical particles have diameters ranging from one dozen to several hundreds of micrometers.The sizes and number of fragments are analyzed by the improved watershed method.The resulting distribution of the fragments mixed with gas follows bilinear exponential distribution.Comprehensive analyses of former simulations and our experimental results show that the secondary fragmentation should occur in the process of the fragments mixing with gas.

high-intensity laser,ejected fragment,gas mixing,computed tomography analysis

PACS:62.20.M–,62.50.Ef,64.70.D–DOI:10.7498/aps.66.186201

*Project supported by the Science and Technology on Plasma Physics Laboratory,China(Grant No.9140C680305140C 68289).

?Corresponding author.E-mail:heweihua2004@sina.com

?Corresponding author.E-mail:yqgu@caep.ac.cn

(2017年4月28日收到;2017年6月6日收到修改稿)

沖擊波在金屬材料自由面卸載時,材料表面會形成微顆粒向外噴射,這是材料表面一種特殊的破壞形態(tài).在內(nèi)爆壓縮和高壓工程領(lǐng)域的相關(guān)物理過程中,微噴射顆粒是引起界面混合現(xiàn)象的重要來源,會直接影響后期的混合狀態(tài)和壓縮過程.而微顆粒的尺寸、形態(tài)、運動速度等是開展微噴混合過程理論和數(shù)值模擬研究的重要參數(shù).由于實驗中動態(tài)診斷的難度較大,目前已獲取的微噴顆粒尺寸及分布數(shù)據(jù)十分有限.基于神光III原型激光裝置,本文設(shè)計并開展了強激光驅(qū)動沖擊加載,錫材料微噴顆粒經(jīng)過氣體區(qū)混合后,低密度泡沫材料對微顆粒進行回收分析的實驗研究.通過對微噴顆粒回收樣品的X光電子計算機斷層掃描分析和圖像重建,獲得了兩個典型加載壓強條件下與氣體混合后微噴顆粒的三維圖像,通過與真空實驗條件下回收微噴顆粒圖像的對比分析,對混合后的微噴顆粒分布形態(tài)有了初步的認(rèn)識;測量統(tǒng)計了回收顆粒尺寸與數(shù)目,并通過分析,給出了微噴顆粒尺寸的雙指數(shù)分布規(guī)律.

10.7498/aps.66.186201

?等離子體物理重點實驗室基金(批準(zhǔn)號:9140C680305140C68289)資助的課題.

?通信作者.E-mail:heweihua2004@sina.com

?通信作者.E-mail:yqgu@caep.ac.cn