СЖАТИЕ СИЛЬНЫМИ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ АЛЮМИНИЯ

СЖАТИЕ СИЛЬНЫМИ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ АЛЮМИНИЯ БОЛЬШОЙ ПОРИСТОСТИ
В.Г. ВИЛЬДАНОВ, М.М. ГОРШКОВ, В.М. СЛОБОДЕНЮКОВ, А.О. БОРЩЕВСКИЙ, А.В. ПЕТРОВЦЕВ
РФЯЦ — ВНИИ технической физики им. акад. Е.И. Забабахина, Снежинск, Россия
Приведены результаты измерения ударного сжатия пористого алюминия начальной плотности ρ00 = 0,6 г/см3
до давлений 170 ГПа при масштабах измерений скорости ударной волны 40 мм. В качестве источника ударной
волны был использован сильный подземный взрыв. Полученные результаты в координатах скорость ударной волны
(D) — массовая скорость (u) описаны линейной зависимостью D = 0,647 +1,26u при 4,6 ≤ u ≤ 14,8 км/с.
Повышение давления ударного сжатия пористых образцов в лабораторных условиях ведет к уменьшению
баз измерения, к тому же необходимым требованием к образцам пористого материала является то, чтобы размеры частичек были значительно меньше базы измерения. В данной работе с использованием в качестве источника ударной волны сильного подземного взрыва были измерены параметры ударного сжатия пористого
алюминия начальной плотности ρ00 = 0,6 г/см3 в интервале давлений ≈18÷170 ГПа.
Образцы пористого алюминия изготовлены в ФГУП ВНИИНМ по технологии, обеспечившей содержание
Al в порошке не менее 99%, а содержание кислорода – не более 0,9% по массе. Размер частиц менее 50 мкм.
Для предохранения от окисления изготовленные образцы загерметизированы в Al контейнере в среде аргона.
Образцы имели цилиндрическую форму с размерами ∅ × H= 110 × 40 мм и устанавливались на экран из
эталонного материала — алюминия марки АД–1 (ρ0 = 2,71 г/см3) с размерами ∅ × H = 570 × 125 мм. Схема
измерительных узлов представлена на рисунке 1.
Для определения параметров ударного сжатия пористого алюминия использовался метод отражения [1],
при этом электроконтактными датчиками измерялась скорость ударной волны D в экране и пористом образце.
При вычислениях скоростей УВ в образце и в экране учитывалась зависимость времени замыкания электроконтактных датчиков от давления, также вводилась небольшая (<1%) расчетная поправка, учитывающая сферичность ударной волны. При обработке данных ударная адиабата АД–1 взята в табличном виде из [2]. В качестве изэнтропы разгрузки АД–1 использовалась зеркальная ударная адиабата в Р–u (давление — массовая
скорость) координатах с внесением расчетной поправки на незеркальность по уравнению состояния (УРС) из [3].
3
2
1
40 мм
∅26мм
∅110 мм
125 мм
∅ 570 мм
Рис. 1. Схема измерительного узла
1 — экран из алюминия марки AD–1, 2 — образец пористого алюминия ρ00 = 0,6 г/см3,
3 — электроконтакные датчики (по 3—4 ЭКД на каждом уровне)
Экспериментальные данные по ударному сжатию приведены в табл. 1. В таблице также приведены погрешности определения параметров ударного сжатия. Результаты измерений волновой скорости в Al начальной плотности ρ00 = 0,6г/см3 аппроксимированы линейной зависимостью от массовой скорости
D = 0,647 +1,26 u при 4,6 ≤ u ≤ 14,8 км/с
(1)
2
Снежинск, 5⎯9 сентября 2005 г.
Таблица 1
Экспериментальные данные по ударному сжатию алюминия начальной плотности ρ00 = 0,6г/см3
№
точки
Скорость УВ
в экране D,
км/с
D, км/с
1
17,95±0,17
19,242±0,098
14,612
0,162
14,774±0,24
4,30±0,22
2,584±0,13
170,6±2,9
12,260±0,026
6,415±0,044
8,962
4,550
0,175
0,062
9,137±0,18
4,612±0,18
3,93±0,24
3,558±0,36
2,355±0,14
2,135±0,22
67,2±1,3
17,75±0,7
2
3
13,02±0,08
9,06±0,11
Параметры ударной волны в пористом алюминии
Массовая скорость u, км/с
Сжатие
Плотность
uзерк
кσ
ρ, г/см3
Δuиз
u = uзерк +Δuиз
Давление
Р, ГПа
На рис. 2 в координатах D u (скорость ударной волны — массовая скорость) приведены экспериментальные данные и аппроксимирующая зависимость (1). Там же приведены данные лабораторных экспериментов по
ударной адиабате пористого алюминия ρ00=0,35; 0,9 и 1,35г/см3 из [4] и ρ00= 1,66 г/см3 из [5]. Из рис. 2 видно,
что ударная адиабата ρ00 = 0,60 г/см3 получена в области более высоких давлений по сравнению с лабораторными экспериментами. Однако, ее наклон практически совпадает с наклоном ударной адиабаты алюминия
с ρ00 = 0,35 г/см3, а по отношению к другим ударным адиабатам ближайшей плотности ρ00=0,90 и 1,66 г/см3
лежит более полого.
20
18
16
2
14
D, km/s
12
1
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
u, km/s
Рис. 2. Ударная адиабата пористого алюминия в координатах скорость ударной волны (D) — массовая скорость (u)
Ударная адиабата пористого алюминия ρ00=0,6 г/см3: о – экспериментальные данные этой работы, 1 — D = 0,647 +1,26 u
линейная аппроксимация, 2 — расчетная по [6] ударная адиабата. Другие экспериментальные данные:
Δ — ρ00=0,35 г/см3 [4], + –ρ00 = 0,90 г/см3 [4], * — ρ00=1,35 г/см3[4], ◊ — ρ00=1,66 г/см3 [5].
Штриховые линии, соединяющие точки, — линейная аппроксимация экспериментальных данных
На рис. 2 приведены также ударная адиабата алюминия ρ00 = 0,60 г/см3, рассчитанная по УРС [6]. Данное
широкодиапазонное уравнение состояния алюминия учитывает плавление, испарение и ионизацию. Видно, что
расчет и эксперимент практически совпадают.
На рис. 3 экспериментальные данные приведены в координатах Р — ρ (давление — плотность).
VIII Забабахинские научные чтения
3
200
180
160
140
P, GPa
120
100
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
3
ρ, g/cm
Рис. 3. Ударная адиабата пористого алюминия ρ00 = 0,6 г/см3 в координатах давление (Р) — плотность (ρ)
о —экспериментальные точки ударной адиабаты алюминия ρ00 = 0,6 г/см3 данной работы,
пунктирная линия — линейная аппроксимация D = 0,647 +1,26u, сплошная линия — расчетные данные по УРС [6].
Линии, пересекающие кружки, — погрешности данных.
Там же приведена рассчитанная по уравнению состояния [6] ударная адиабата пористого алюминия начальной плотности ρ00=0,6г/см3. Видно, что расчетная ударная адиабата и эксперимент практически совпадают,
величина отклонения находится в пределах экспериментальной погрешности.
Итак, получены три экспериментальные точки ударной адиабаты пористого алюминия начальной плотности ρ00 = 0,6г/см3, на порядок расширяющие имевшиеся данные близкой начальной плотности (до давлений
ударного сжатия 170 ГПа). Измерения проведены на образцах алюминия высокой чистоты (Al ≥ 99%,
О2 ≤ 0,9 %) в условиях нагружения ударными волнами большой пространственной и временной однородности,
что позволило использовать большие базы измерений (40 мм).
Ссылки
1. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. – М., 1963.
2. Кормер С.Б., Синицын М.В., Фунтиков А.И., Урлин В.Д., Блинов А.В. Исследование сжимаемости пяти ионных
соединений до давлений 5 Мбар. ЖЭТФ, т. 47, вып. 4 (10), 1964, с 1202–1213.
3. Куропатенко В.Ф., Минаева И.С. Уравнение состояния некоторых металлов. Численные методы механики сплошных
сред, т.18, №6, 1983.
4. Трунин Р.Ф., Гударенко Л.Ф., Жерноклетов М.В., Симаков Г.В. Экспериментальные данные по ударно–волновому сжатию и адиабатическому расширению конденсированных веществ. Саров: Издательство РФЯЦ — ВНИИЭФ, 2001.
5. LASL Shock Hugoniot Data. (ed. Staney P. Marsh).University of California Press, Berkeley– Los Angeles– London. 1980.
6. Сапожников А.Т., Миронова Е.Е. Уравнение состояния алюминия с учетом плавления, испарения и ионизации. Доклад
представлен на Международную конференцию “VIII Забабахинские научные чтения”. — Снежинск:, 2005 г.