实验冲击波物理 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

内容简介

冲击波物理是研究凝聚态物质，尤其是固态物质，在瞬态外力作用下的状态和性质变化规律的一门基础科学。目的是建立能够对物质受到高速碰撞和爆炸等极端外力作用时的动力学行为正确地进行预言、分析和评价的科学方法。众所周知，在第二次世界大战后，由于核武器研究的迫切需求，冲击波物理学科在苏联和美国等西方国家中得到了迅猛发展。到20世纪80年代初，国外就公布了金属、岩石、塑料、炸药、无机化合物、有机化合物、液体和气体等许多物质的冲击绝热压缩数据，建立了比较完备的、描述这些物质受到冲击压缩的响应特性的数据库。随着冲击波物理研究领域的不断拓展、实验测量技术的不断进步和计算模拟能力的迅速提高，这些数据库一直在不断修订和扩充之中。

我国冲击波物理的系统性研究始于20世纪50年代后期。因战略武器发展的需求，中国工程物理研究院的老一代科学家在非常困难的条件下开始了这项极具挑战性的工作。与其他核大国一样，首先发展和建立的动高压实验手段是用炸药爆轰释放的化学能产生高压冲击波的实验技术和相应的测量技术，后来又发展了以二级轻气炮为代表的气炮加载实验技术。早期的实验研究也集中在强冲击压缩下相关材料的冲击绝热参数测量上。作者有幸从20世纪70年代初参加到实验冲击波物理研究工作中。到90年代初，国内外冲击波物理研究已经发展到了较高水平。90年代中期《禁止核试验条约》的签订使战略武器的可持续发展面临严峻的挑战，也为冲击波物理学科的发展带来了新机遇。特别是进入21世纪以后的10多年以来，我国在发展极端条件下的动高压物理的实验研究能力方面取得了长足进步，包括：在实验室条件下产生太帕（107bar）超高压平面冲击波压缩的三级炮技术；具有极端应变率的斜波加载技术；对具有亚纳秒至皮秒时间分辨力的瞬态动力学过程的精密实时诊断的能力；对实验测量数据的物理解读能力。从而标志着我国冲击波物理实验研究进入了国际先进行列。作者深感有必要对10年前出版的《实验冲击波物理导引》进行全面修订扩充，以便与有关领域的研究者分享作者和所在研究团队近20年来在实验冲击波物理的基础研究方面取得的成果。

多年来，已经有不少论述冲击波物理基本问题的经典著作问世。

《实验冲击波物理》主要讨论当前实验冲击波物理研究领域感兴趣的一些重要问题。由于当时实验研究重点关注内容的不同和研究能力的限制，这些问题在以往的著作中较少或基本没有涉及。

《实验冲击波物理》注重于对实验研究中引用的基本概念和描述的物理图像进行剖析，从不同角度对本构关系这类经典问题和极端应变率斜波加载这类新问题进行讨论，引导读者认识当今冲击波物理实验的研究现状和发展方向；注重于建立具有实用价值的实验装置的设计方法，以及对实验数据的物理解读，以便能够从实验测量数据中获得规律性的认识。

前言/序言

冲击波物理是研究凝聚态物质，尤其是固态物质，在瞬态外力作用下的状态和性质变化规律的一门基础科学。目的是建立能够对物质受到高速碰撞和爆炸等极端外力作用时的动力学行为正确地进行预言、分析和评价的科学方法。众所周知，在第二次世界大战后，由于核武器研究的迫切需求，冲击波物理学科在苏联和美国等西方国家中得到了迅猛发展。到20世纪80年代初，国外就公布了金属、岩石、塑料、炸药、无机化合物、有机化合物、液体和气体等许多物质的冲击绝热压缩数据，建立了比较完备的、描述这些物质受到冲击压缩的响应特性的数据库。随着冲击波物理研究领域的不断拓展、实验测量技术的不断进步和计算模拟能力的迅速提高，这些数据库一直在不断修订和扩充之中。

我国冲击波物理的系统性研究始于20世纪50年代后期。因战略武器发展的需求，中国工程物理研究院的老一代科学家在非常困难的条件下开始了这项极具挑战性的工作。与其他核大国一样，首先发展和建立的动高压实验手段是用炸药爆轰释放的化学能产生高压冲击波的实验技术和相应的测量技术，后来又发展了以二级轻气炮为代表的气炮加载实验技术。早期的实验研究也集中在强冲击压缩下相关材料的冲击绝热参数测量上。作者有幸从20世纪70年代初参加到实验冲击波物理研究工作中。到90年代初，国内外冲击波物理研究已经发展到了较高水平。90年代中期《禁止核试验条约》的签订使战略武器的可持续发展面临严峻的挑战，也为冲击波物理学科的发展带来了新机遇。特别是进入21世纪以后的10多年以来，我国在发展极端条件下的动高压物理的实验研究能力方面取得了长足进步，包括：在实验室条件下产生太帕（107bar）超高压平面冲击波压缩的三级炮技术；具有极端应变率的斜波加载技术；对具有亚纳秒至皮秒时间分辨力的瞬态动力学过程的精密实时诊断的能力；对实验测量数据的物理解读能力。从而标志着我国冲击波物理实验研究进入了国际先进行列。作者深感有必要对10年前出版的《实验冲击波物理导引》进行全面修订扩充，以便与有关领域的研究者分享作者和所在研究团队近20年来在实验冲击波物理的基础研究方面取得的成果。

多年来，已经有不少论述冲击波物理基本问题的经典著作问世。本书主要讨论当前实验冲击波物理研究领域最感兴趣的一些重要问题。由于当时实验研究重点关注内容的不同和研究能力的限制，这些问题在以往的著作中较少或基本没有涉及。本书注重于对实验研究中引用的基本概念和描述的物理图像进行剖析，从不同角度对本构关系这类经典问题和极端应变率斜波加载这类新问题进行讨论，引导读者认识当今冲击波物理实验的研究现状和发展方向；注重于建立具有实用价值的实验装置的设计方法，以及对实验数据的物理解读，以便能够从实验测量数据中获得规律性的认识。

第1章绪论1

1.1冲击波物理和物态方程研究的意义1

1.2流体近似模型与冲击波压缩的守恒方程5

1.2.1流体近似模型5

1.2.2平面冲击波压缩的守恒方程6

1.2.3冲击绝热线测量在物态方程研究中的意义8

1.3冲击波物理的实验研究技术9

1.3.1实验加载技术10

1.3.2实验侧量技术13

1.4小扰动传播的特征线理论基础14

1.4.1小扰动传播的守恒方程14

1.4.2小扰动传播的特征线方程16

1.5拉格朗日坐标及守恒方程20

1.5.1拉格朗日坐标与拉格朗日坐标系20

1.5.2拉格朗日坐标系中的守恒方程23

1.5.3拉格朗日坐标系中的特征线方程25

第2章冲击绝热线的实验测量27

2.1冲击绝热线的基本走向27

2.1.1冲击波速度与粒子速度关系的五种基本类型27

2.1.2极端高压下金属材料的冲击绝热线31

2.1.3不同压力区D一u冲击绝热线的基本特点32

2.2冲击绝热线的基本性质34

2.2.1冲击绝热线是从同一始态出发的经平面冲击压缩达到的所有终态的轨迹34

2.2.2冲击波压缩的总功平均分配给比内能和比动能35

2.2.3冲击压缩的墒增35

2.2.4从同一始态出发的等嫡线与主Hugoniot线在始点二阶相切36

2.2.5沿着主Hugoniot的体波声速38

2.2.6冲击波速度与波前声速及波后声速的关系39

2.2.7等温线、等墒线和冲击绝热线的相对位置关系40

2.3冲击绝热线的理论预估42

2.3.1纯净密实材料42

2.3.2理想混合物45

2.4疏松材料的冲击绝热线48

2.4.1极低密度疏松材料D一u冲击绝热线的一般特征49

2.4.2极低密度疏松材料的p一冲击绝热线的一般特征51

2.4.3依据密实材料的冲击绝热线估算疏松材料的冲击绝热线52

2.4.4冲击压缩下疏松材料的空穴塌缩模型55

2.5冲击绝热线的实验测量方法57

2.5.1冲击绝热线的绝对法坝d量及标准材料冲击绝热线的建立57

2.5.2冲击绝热线的对比法测量59

2.5.3第二类对比法实验装置64

2.5.4对比法实验测量中隐含的基本假定66

2.5.5冲击波通过两种不同物质之间的界面时反射波的性质·67

2.5.6疏松材料冲击绝热线的对比法实验测量68

2.6冲击波在自由面的反射69

2.6.1与冲击绝热线相交的等墒线70

2.6.2却载到零压时的比容与声速72

2.6.3自由面速度73

2.6.4沿着等墒线的温度73

2.7实验样品设计的一般原理74

2.7.1边侧稀疏波的影响75

2.7.2追赶稀疏波的影响76

2.8利用冲击绝热压缩数据建立Gruneisen物态方程78

2.8.1固体冷能的基本形式80

2.8.2利用静高压实验数据构建Gruneisen物态方程83

2.8.3利用冲击绝热数据和静高压数据构建Gruneisen物态方程85

2.8.4关于Q、q方法·88

2.9等嫡绝热线的一种解析表达式89

2.9.1以冲击绝热线为参考的等墒线的解析式90

2.9.2与主Hugoniot有公共始点的等嫡压缩线93

第3章冲击波温度测里95

3.1冲击波温度测量的意义95

3.2透明材料的冲击波温度测量96

3.2.1辐射法测温的原理和基本假定96

3.2.2透明材料的辐射法冲击波温度测量97

3.3金属材料的冲击波温度测量101

3.3.1金属冲击波温度测量的主要困难101

3.3.2多通道瞬态辐射高温计及其标定103

3.3.3“样品／窗口”界面辐射能的确定105

3.3.4光纤高温计106

3.3.5“样品／窗口”界面温度的确定107

3.4理想界面模型109

3.5冲击波温度的理论预估117

3.4.1理想界面模型热传导方程的解110

3.4.2理想界面模型下冲击波温度测量的样品设计112

3.4.3却载温度和冲击波温度的导出112

3.4.4冲击压缩下金属热导率的实验测量116

3.5.1单相区的冲击波温度118

3.5.2过热却载模型及固一液混合相区的状态120

3.5.3利用能量原理判定初始冲击状态所在的相区·124、

3.6非理想界面模型125

3.6.1冲击波与“样品／窗口”间隙界面的相互作用126

3.6.2四层介质热传导模型130

3.6.3“基板／镀膜样品”间隙对冲击波温度测量的影响135

3.6.4冲击波温度测量实验的基板和镀膜样品的设计原则140

3.6.5三层介质热传导模型141

3.6.6窗口材料高压热导率的实验测量143

第4章金属的冲击熔化·148

4.1冲击熔化相变148

4.2高压熔化的经验规律150

4.2.1林德曼熔化定律150

4.2.2两种常用的经验熔化方程151

4.2.3由Clausius一Clapeyron方程的多项式展开得到的经验熔化规律152

4.2.4利用静高压数据确定P一T相线的走向154

4.3高压熔化温度的理论预估155

4.4含固一液相变的热传导方程的解156

4.4.1金属样品因界面热传导发生再凝固相变157

4.4.2窗口材料因界面热传导而发生熔化相变164

4.4.3界面热传导引发的金属样品再凝固相变和窗口材料的熔化相变同时发生171

4.4.4金属材料辐射法冲击波温度测量的基本结果175

4.5金属材料冲击熔化温度的实验测量176

4.5.1基于声速测量数据判定金属冲击熔化压力区间的方法177

4.5.2直接从界面温度获取金属材料的高压熔化温度的TDA模型及其应用180

4.5.3固体高压熔化线的基本走向185

第5章金属材料在极端应力一应变率加载下的声速188

5.1单轴应变加载下的应力一应变状态与声速188

5.2极端加载状态下声速测量的基本原理191

5.2.1光分析法192

5.2.2透明窗口的光分析法198

5.3同时测量沿着Hugoniot的声速和粒子速度的方法203

5.3.1从粒子速度剖面获得声速的基本原理203

5.3.2实验方法的改进·205

5.3.3纵波在“样品／窗口”界面上反射的特征线近似解208

5.3.4却载路径的计算方法·211

5.3.5窗口材料中的应力与粒子速度的近似关系212

5.4冲击加载下LY12铝合金声速的实验测量213

5.4.1LY12铭合金反向碰撞法实验的粒子速度剖面及准弹性213

5.4.2LY12铭合金沿着冲击绝热线和却载路径的声速215

5.4.3LY12铝合金的却载路径217

5.5利用多台阶样品测量拉氏声速的实验技术219

第6章极端应力一应变率加载下金属材料的强度与本构关系222

6.1单轴应变加载下固体材料强度的表征222

6.1.1单轴应变加载下的主轴应力、偏应力及平均应力222

6.1.2单轴应变加载下固体材料的剪切模量224

6.1.3单轴应变加载下的应变及应变率225

6.2单轴应变加载下的本构关系227

6.2.1平面冲击加载下的弹一塑性屈服228

6.2.2极端应力一应变率加载下本构方程的一般形式·229

6.2.3双屈服面法231

6.2.4硬化的影响233

6.3平面冲击加载下屈服强度的实验测量235

6.3.1单轴应变加载下的SCG本构关系简介235

6.3.2Hugoniot状态下屈服强度的实验测量236

6.3.3实验数据处理方法241

6.3.4屈服面上的临界应力和预冲击压缩下的应力状态245

6.3.5冲击加载下LY12铝合金的屈服强度实验测量245

6.3.6冲击加载一再加载实验技术的改进246

6.4平面冲击压缩下剪切模量的实验测量248

6.4.1LY12铝合金沿着冲击绝热线的剪切模量的实验测量249

6.4.2对Steinberg本构关系中的剪切模量方程的讨论及修正250

6.4.3LY12铝合金沿着准弹性却载路径的剪切模量及其变化规律251

6.4.4沿着冲击绝热线和准弹性却载路径的剪切模量方程的近似表达式254

6.5卸载波剖面的数值模拟和预测255

6.6单轴应变加载下的泊松比258

6.6.1线弹性变形下的泊松比258

6.6.2单轴应变加载下的泊松比与声速259

6.6.3Hugoniot弹性极限下的泊松比及屈服强度260

6.6.4LY12铭合金沿着Hugoniot的泊松比的实验测量261

6.7层裂初步263

6.7.1自由面速度剖面的一般特征264

6.7.2两个相向运动稀疏波交会区的应力分布265

6.7.3发生层裂时自由面速度的回跳与层裂强度的近似计算267

6.7.4层裂强度与负压区的却载路径270

6.7.5层裂片的近似厚度272

第7章极端应变率斜波加载技术及相变动力学初步273

7.1磁驱动斜波加载技术275

7.2激光烧蚀等离子体活塞驱动斜波加载技术277

7.3利用阻抗梯度飞片的斜波加载技术281

7.3.1叠层型阻杭梯度飞片技术282

7.3.2准连续型阻杭梯度飞片技术283

7.3.3利用阻杭梯度飞片产生路径可控的复杂应力波剖面285

7.4三级炮超高速驱动技术286

7.4.1非会聚型三级炮超高速驱动技术287

7.4.2冲击波物理与爆轰物理重点实验室的三级炮超高速驱动技术289

7.4.3太帕超高压区担和铂冲击绝热线的精密测量291

7.4.4会聚型三级炮超高速驱动技术292

7.4.5三级炮超高速驱动的计算机模拟和数值计算295

7.5准连续型阻抗梯度飞片的基本结构与实验设计297

7.5.1功能梯度材料的声阻抗297

7.5.2多台阶样品料波加载的实验设计300

7.5.3一种准连续型阻杭梯度飞片及其产生的加载波形303

7.6原位粒子速度历史计算的反向积分原理305

7.6.1反向积分法的基本原理305

7.6.2料波加载下比容与应力的近似关系307

7.6.3弹一塑性材料的反向积分法310

7.7冲击波引发的多形相变的实验研究及相变动力学初步311

7.7.1冲击相变的双波结构与平衡相变模型311

7.7.2两步相变动力学模型314

7.7.3混合相区的热力学近似及双波结构的描述316

7.7.4低压相亚稳态松弛的近似描述318

7.7.5Barker和Asay关于两步相变模型实验结果319

7.7.6发生固一固相变时冲击绝热线的对比法测量322

7.8δ-杯合金在低压冲击压缩下的渐变型冲击相变324

7.8.1δ一杯合金的低压冲击相变实验及分析324

7.8.2δ一杯合金的渐变型相变动力学模型327

7.9从冲击绝热线构建两相物态方程的一种方法328

7.9.1两相物态方程的一种基本形式328

7.9.2剪应力的贡献329

7.9.3内能方程的解藕329

7.9.4沿着冲击绝热线的温度331

7.9.5两相物态方程的确定332

7.10关于金属的再凝固相变335

7.11聚心球面冲击压缩的守恒方程及其物理意义338

7.11.1聚心球面冲击波的守恒方程339

7.11.2聚心球面冲击压缩波后状态的基本图像及其含义343

7.11.3关于球面冲击压缩的对比法实验346

7.11.4对平均冲击波速度的近似修正351

第S章激光速度和位移干涉测量技术基础354

8.1声学多普勒效应355

8.1.1声源相对于介质静止而探测器相对于介质运动时的多普勒效应355

8.1.2声源相对于介质运动但探测器相对于介质静止时的多普勒效应356

8.1.3声源和探测器相对于介质静止但被观察物体相对于介质运动时的多普勒效应357

8.2光学多普勒效应357

8.3拍频干涉原理360

8.4传统的分离式激光速度干涉测量系统（visAR）362

8.4.1VISAR的基本原理362

8.4.2Barker型VISAR的基本结构及设计原理分析366

8.4.3etalon色散及其对visAR测量的表观界面速度的修正371

8.5窗口材料折射率引人的附加多普勒频移、373

8.5.1抖波加载下窗口材料的折射率与表观界面速度的关系374

8.5.2低压下窗口材料的折射率及VISAR速度测量的修正因子377

8.5.3折射率与密度的经验关系及强冲击压缩下单晶LIF窗口折射率的实验测量378

8.5.4Rigg的LIF窗口折射率实验测量数据及数据拟合方法382

8.5.5复杂应力波作用下窗口材料的折射率及冲击温升的影响385

8.6分数条纹388

8.7全光纤激光速度干涉测量系统390

8.8全光纤激光位移干涉测量系统393

8.8.1全光纤激光位移干涉系统的基本原理与光路结构393

8.8.2光波一微波混频速度计的基本原理397

参考文献401

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冲击波物理是研究凝聚态物质，尤其是固态物质，在瞬态外力作用下的状态和性质变化规律的一门基础科学。目的是建立能够对物质受到高速碰撞和爆炸等极端外力作用时的动力学行为正确地进行预言、分析和评价的科学方法。众所周知，在第二次世界大战后，由于核武器研究的迫切需求，冲击波物理学科在苏联和美国等西方国家中得到了迅猛发展。到20世纪80年代初，国外就公布了金属、岩石、塑料、炸药、无机化合物、有机化合物、液体和气体等许多物质的冲击绝热压缩数据，建立了比较完备的、描述这些物质受到冲击压缩的响应特性的数据库。随着冲击波物理研究领域的不断拓展、实验测量技术的不断进步和计算模拟能力的迅速提高，这些数据库一直在不断修订和扩充之中。

我国冲击波物理的系统性研究始于20世纪50年代后期。因战略武器发展的需求，中国工程物理研究院的老一代科学家在非常困难的条件下开始了这项极具挑战性的工作。与其他核大国一样，首先发展和建立的动高压实验手段是用炸药爆轰释放的化学能产生高压冲击波的实验技术和相应的测量技术，后来又发展了以二级轻气炮为代表的气炮加载实验技术。早期的实验研究也集中在强冲击压缩下相关材料的冲击绝热参数测量上。作者有幸从20世纪70年代初参加到实验冲击波物理研究工作中。到90年代初，国内外冲击波物理研究已经发展到了较高水平。90年代中期《禁止核试验条约》的签订使战略武器的可持续发展面临严峻的挑战，也为冲击波物理学科的发展带来了新机遇。特别是进入21世纪以后的10多年以来，我国在发展极端条件下的动高压物理的实验研究能力方面取得了长足进步，包括：在实验室条件下产生太帕（107bar）超高压平面冲击波压缩的三级炮技术；具有极端应变率的斜波加载技术；对具有亚纳秒至皮秒时间分辨力的瞬态动力学过程的精密实时诊断的能力；对实验测量数据的物理解读能力。从而标志着我国冲击波物理实验研究进入了国际先进行列。作者深感有必要对10年前出版的《实验冲击波物理导引》进行全面修订扩充，以便与有关领域的研究者分享作者和所在研究团队近20年来在实验冲击波物理的基础研究方面取得的成果。

多年来，已经有不少论述冲击波物理基本问题的经典著作问世。

《实验冲击波物理》主要讨论当前实验冲击波物理研究领域感兴趣的一些重要问题。由于当时实验研究重点关注内容的不同和研究能力的限制，这些问题在以往的著作中较少或基本没有涉及。

《实验冲击波物理》注重于对实验研究中引用的基本概念和描述的物理图像进行剖析，从不同角度对本构关系这类经典问题和极端应变率斜波加载这类新问题进行讨论，引导读者认识当今冲击波物理实验的研究现状和发展方向；注重于建立具有实用价值的实验装置的设计方法，以及对实验数据的物理解读，以便能够从实验测量数据中获得规律性的认识。

前言/序言

冲击波物理是研究凝聚态物质，尤其是固态物质，在瞬态外力作用下的状态和性质变化规律的一门基础科学。目的是建立能够对物质受到高速碰撞和爆炸等极端外力作用时的动力学行为正确地进行预言、分析和评价的科学方法。众所周知，在第二次世界大战后，由于核武器研究的迫切需求，冲击波物理学科在苏联和美国等西方国家中得到了迅猛发展。到20世纪80年代初，国外就公布了金属、岩石、塑料、炸药、无机化合物、有机化合物、液体和气体等许多物质的冲击绝热压缩数据，建立了比较完备的、描述这些物质受到冲击压缩的响应特性的数据库。随着冲击波物理研究领域的不断拓展、实验测量技术的不断进步和计算模拟能力的迅速提高，这些数据库一直在不断修订和扩充之中。

我国冲击波物理的系统性研究始于20世纪50年代后期。因战略武器发展的需求，中国工程物理研究院的老一代科学家在非常困难的条件下开始了这项极具挑战性的工作。与其他核大国一样，首先发展和建立的动高压实验手段是用炸药爆轰释放的化学能产生高压冲击波的实验技术和相应的测量技术，后来又发展了以二级轻气炮为代表的气炮加载实验技术。早期的实验研究也集中在强冲击压缩下相关材料的冲击绝热参数测量上。作者有幸从20世纪70年代初参加到实验冲击波物理研究工作中。到90年代初，国内外冲击波物理研究已经发展到了较高水平。90年代中期《禁止核试验条约》的签订使战略武器的可持续发展面临严峻的挑战，也为冲击波物理学科的发展带来了新机遇。特别是进入21世纪以后的10多年以来，我国在发展极端条件下的动高压物理的实验研究能力方面取得了长足进步，包括：在实验室条件下产生太帕（107bar）超高压平面冲击波压缩的三级炮技术；具有极端应变率的斜波加载技术；对具有亚纳秒至皮秒时间分辨力的瞬态动力学过程的精密实时诊断的能力；对实验测量数据的物理解读能力。从而标志着我国冲击波物理实验研究进入了国际先进行列。作者深感有必要对10年前出版的《实验冲击波物理导引》进行全面修订扩充，以便与有关领域的研究者分享作者和所在研究团队近20年来在实验冲击波物理的基础研究方面取得的成果。

多年来，已经有不少论述冲击波物理基本问题的经典著作问世。本书主要讨论当前实验冲击波物理研究领域最感兴趣的一些重要问题。由于当时实验研究重点关注内容的不同和研究能力的限制，这些问题在以往的著作中较少或基本没有涉及。本书注重于对实验研究中引用的基本概念和描述的物理图像进行剖析，从不同角度对本构关系这类经典问题和极端应变率斜波加载这类新问题进行讨论，引导读者认识当今冲击波物理实验的研究现状和发展方向；注重于建立具有实用价值的实验装置的设计方法，以及对实验数据的物理解读，以便能够从实验测量数据中获得规律性的认识。