沖擊加載下苯的透光特性

陳源福

(閩南理工學(xué)院 土木工程學(xué)院基礎(chǔ)部，福建 泉州 362700)

苯作為重要的芳香、環(huán)狀類化合物的代表，也是其同系物的主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)[1]，結(jié)構(gòu)與含能材料相似，有重要的工程應(yīng)用背景，對其物性的研究有著重要的意義.自從1914年Bridgman[2]首次在靜高壓下獲得苯的相關(guān)數(shù)據(jù)以來，苯在高壓下的相圖[3--5]已經(jīng)有一個比較清晰的劃分.Lucia Ciabini[6]和Thiery and Leger[7],Adams and Appleby等[8]都在靜態(tài)壓縮下觀測到了苯相變的發(fā)生，但是他們都認(rèn)為這個轉(zhuǎn)變過程遲緩.而在動高壓下，Dick[9]在1969年第一次用沖擊加載方法研究苯在沖擊過程中的相變，認(rèn)為其經(jīng)歷了一個瞬態(tài)轉(zhuǎn)變過程.Matsuda等[10]在激光沖擊加載下，利用拉曼光譜檢測，在壓力達(dá)到4.2 GPa和溫度600 K時，發(fā)現(xiàn)苯發(fā)生液-固轉(zhuǎn)變，并且認(rèn)為結(jié)構(gòu)的變化與時間有關(guān)，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變大約在25 ns內(nèi)完成.Walsh and Rice[11]在爆轟加載下，采用側(cè)光反射的方法，對苯等15種透明液體的透光性做了研究，就苯而言，在一次沖擊過程中沒有觀測到透光性發(fā)生變化.Root and Gupta[12]采用多次沖擊加載液態(tài)苯方法，在0.6～13 GPa范圍內(nèi)，也發(fā)現(xiàn)液態(tài)苯透光性沒有發(fā)生變化.并認(rèn)為Matsuda等人的激光加載受到邊側(cè)稀疏波的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在誤差.對比靜高壓、激光加載和動高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，沖擊相變動力學(xué)仍然是非常值得進(jìn)一步探究的問題.本文利用輕氣炮加載帶有穩(wěn)定性較好的小功率脈沖激光彈丸，適時在線觀測多次沖擊下液態(tài)苯的透光性變化，來研究苯的相變問題.

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，飛片、基板和窗口均為石英玻璃，密度為2.21 g/cm3.液體苯被夾在基板(Φ40×4 mm)和窗口(Φ30×10 mm)之間，苯樣品處于可控的循環(huán)裝置中，用來保證樣品中沒有空氣且純度滿足實(shí)驗(yàn)要求.小功率激光內(nèi)置于彈丸之中，激光波長為650 nm，光斑直徑小于1 mm.

實(shí)驗(yàn)時，帶有激光光源的彈丸由一級輕氣炮加載加速，彈丸的速度由磁測速系統(tǒng)測量[13].彈丸的飛片與基板碰撞時，壓縮很薄的一層間隙氣體發(fā)出強(qiáng)光，同時連接激光器電路被接通，激光開始工作，依次經(jīng)過飛片、基板、樣品和窗口，最后用光纖接收傳輸?shù)蕉嗤ǖ浪矐B(tài)高溫計(jì)，再由示波器記錄.彈丸上的飛片與基板碰撞后，產(chǎn)生的沖擊波向前傳播，依次經(jīng)過基板、樣品和窗口，由于樣品的沖擊阻抗比基板和窗口的低，沖擊波可在基板與窗口之間來回反射，實(shí)現(xiàn)樣品的多次壓縮.液體苯為高純度光譜純，密度：0.874 g/cm3，Hugoniots：Us=1.50+1.67Up[14].用阻抗匹配法來計(jì)算實(shí)驗(yàn)時樣品的沖擊壓力和沖擊溫度[15].

2 結(jié)果與討論

如圖2所示為多次沖擊壓縮1.068 mm厚的苯樣品的實(shí)驗(yàn)信號，由信號可以看出，彈丸上的飛片與靶面碰撞時，被壓縮的氣體瞬間產(chǎn)生強(qiáng)光，以此來計(jì)算產(chǎn)生沖擊波的時間起點(diǎn)，沖擊波經(jīng)過基板對樣品第1次壓縮，壓力為0.98 GPa，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看苯的透光性沒有發(fā)生變化.

此時刻沖擊波到達(dá)觀察窗口與樣品接觸的前界面，由于窗口的阻抗比樣品大，沖擊波反射對樣品進(jìn)行了二次壓縮，如圖2的t1時刻，壓力升至2.27 GPa、溫度543 K，苯的透光性開始下降.圖2的t2時刻沖擊波對樣品第3次沖擊，隨著驅(qū)動力的增加，樣品的透射率下降加劇，并在隨后沖擊中繼續(xù)下降，最后趨于穩(wěn)定.而引起透光性下降的原因可能是樣品發(fā)生化學(xué)分解，但從文獻(xiàn)報道，苯在沖擊壓縮到13 GPa時才發(fā)生化學(xué)分解，Jean Bernard Maillet等人[16]也通過分子動力學(xué)模擬指出，苯分子的分解極限在13 GPa以上,國內(nèi)趙北京等人[17]在動態(tài)加載中利用激光拉曼光譜技術(shù)，觀察知要達(dá)到9.7 GPa苯的結(jié)構(gòu)才開始發(fā)生變化.因此，苯在本實(shí)驗(yàn)的壓力下還未達(dá)到分解的條件，而發(fā)生光的透射率下降的原因，則是由于樣品內(nèi)部發(fā)生局部團(tuán)簇，誘發(fā)苯結(jié)冰相變，使樣品的折射率發(fā)生了變化，且發(fā)生在納秒時間尺度內(nèi)，這與靜高壓觀察到的相變時間尺度不同.

本實(shí)驗(yàn)的多次沖擊加載中前3次的壓力與溫度在相圖中的位置，如圖3所示.實(shí)驗(yàn)表明樣品苯在第1次沖擊的壓力和溫度點(diǎn)在液相-固相Ⅰ的相邊界上，2次沖擊時已跨入固相Ⅱ區(qū)，隨后的第2次、第3次的沖擊壓力、溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)也都在固相Ⅱ區(qū).由此可見，在對應(yīng)時間、壓力和溫度下，液體苯在多次沖擊壓縮后發(fā)生了結(jié)晶相變.

3 結(jié) 論

在動態(tài)加載上利用光透射測量技術(shù)對液體苯的透光性進(jìn)行在線觀測，實(shí)驗(yàn)表明苯在第2次沖擊時，壓力達(dá)到2.27 GPa、溫度為543 K時，苯的透光性開始發(fā)生變化.由于實(shí)驗(yàn)壓力下基板和窗口的透光性良好，且苯發(fā)生化學(xué)分解的壓力條件還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，引起樣品透光性變化的原因歸結(jié)為樣品在多次加載下發(fā)生了結(jié)晶相變，與靜高壓的實(shí)驗(yàn)相圖吻合得比較好.為苯的動力學(xué)研究提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考.