材料在不同加載應(yīng)變率下會表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為。對于應(yīng)用于航空航天、精密切削等載荷領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，獲取它們在不同應(yīng)變率下的物性參數(shù)并構(gòu)建材料數(shù)據(jù)庫是十分重要的。然而，常見的力學(xué)加載手段包括準靜態(tài)加載（10^-3~10^-1 s^-1）、高速液壓伺服試驗機（10^-1~10³ s^-1）和霍普金森桿（10³~10⁴ s^-1），它們難以實現(xiàn)對10⁴ s^-1及以上量級加載應(yīng)變率的調(diào)控。

使用輕氣炮驅(qū)動面密度梯度飛片（ADGF）的準等熵加載技術(shù)在動態(tài)高壓領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。通過對ADGF的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)對加載路徑、加載應(yīng)變率的調(diào)控。在動態(tài)加載實驗中，靶材加載過程的分析是基于單軸加載的。ADGF具有特別的加載機制，靶材中經(jīng)過波系整合后才開始進行單軸加載，緩慢的波系整合過程不利于實驗分析。此外，獲得ADGF結(jié)構(gòu)與加載應(yīng)變率之間的構(gòu)效關(guān)系對于指導(dǎo)ADGF的設(shè)計十分重要。

針對以上問題，該團隊通過使用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)(microArch^® S240，精度：10 μm)制備出樹脂基ADGF。通過對面密度梯度分布和針尖數(shù)量密度進行設(shè)計，實現(xiàn)了對10⁴ s^-1量級加載應(yīng)變率的調(diào)控，這一加載應(yīng)變率范圍是現(xiàn)有常見加載技術(shù)難以實現(xiàn)的。增大針尖數(shù)量密度促進了波系整合過程，使得觀測區(qū)域內(nèi)的加載應(yīng)變率更加均勻。

相關(guān)研究成果以“Regulating loading strain rates under shockless quasi-isentropic compression using a resin-based areal density gradient flyer"為題發(fā)表在國際著名期刊《Journal of Materials Research and Technology》上（SCI一區(qū)，Top期刊，IF=6.4）。武漢理工大學(xué)碩士研究生吳澳杰為第一作者，武漢理工大學(xué)張睿智和張建副教授為通信作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大專項、武漢理工大學(xué)三亞科教園和沖擊波物理與爆轟物理國家重點實驗室基金的支持。

首先展示了具有不同面密度梯度分布和針尖數(shù)量密度的樹脂基ADGF結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖1和圖2）。通過調(diào)控旋轉(zhuǎn)曲線解析函數(shù)來控制ADGF的面密度梯度分布，并通過調(diào)控針尖底面半徑來控制ADGF的針尖數(shù)量密度。使用三維輪廓儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和超景深顯微鏡對樹脂基ADGF進行結(jié)構(gòu)表征。采用PµSL增材制造技術(shù)制備的樹脂基ADGF具有很高的打印精度，該打印精度優(yōu)于之前報道的金屬基ADGF和陶瓷基ADGF。

圖1 具有不同面密度梯度分布ADGF的針尖結(jié)構(gòu)模型

圖2 具有不同針尖數(shù)量密度的ADGF結(jié)構(gòu)模型

隨后，團隊采用有限元模擬和輕氣炮加載實驗研究樹脂基ADGF的應(yīng)變率調(diào)控性能。結(jié)果顯示，有限元模擬與輕氣炮加載實驗具有較好的一致性。ADGF面密度梯度分布對加載結(jié)果的影響如圖3所示。ADGF ⅰ的波阻抗分布指數(shù)（P）為0，這意味著在沖擊加載下，會產(chǎn)生最大的應(yīng)變率。ADGF ⅱ-ⅳ的P值分別為1、2、3，表現(xiàn)為準等熵加載。隨著P值的增大，加載應(yīng)變率和標準差也隨之增大，應(yīng)變率標準差反映了加載應(yīng)變率的均勻程度和波系整合效果。因此，增大ADGF的P值，緩沖層的厚度也需要適當增加，才能實現(xiàn)較理想的單軸加載效果。

圖3 ADGF面密度梯度分布對加載結(jié)果的影響：（a）面密度梯度分布對加載路徑的影響；（b）面密度梯度分布對加載應(yīng)變率的影響

接著，團隊研究了針尖數(shù)量密度對加載結(jié)果的影響（如圖4所示）。圖4（a）為動態(tài)加載實驗后回收的鋁靶。有趣的是，撞擊面彈坑的形狀為正方形而不是圓形，這證實了波系整合的發(fā)生。圖4（b）描述了彈坑的形成過程，ADGF ⅲ, ⅴ, ⅵ的針尖數(shù)量密度依次增大。當ADGF ⅲ, ⅴ, ⅵ撞擊靶材時，分別在1.8，1.4和1.0 μs的時間點完成了多個球面波向一維平面波的轉(zhuǎn)變，靶材開始受到單軸加載。隨著針尖數(shù)量密度的增大，加載應(yīng)變率也增大，而應(yīng)變率標準差卻減小（如圖5所示）。為了制備高針尖數(shù)量密度的ADGF，提高打印精度是關(guān)鍵，這不僅有利于縮短波系整合所需時間，還能簡化靶材加載過程的分析。

圖4 靶材中平面波的形成過程：（a）被ADGF ⅲ撞擊后的鋁靶；（b）被ADGF ⅲ撞擊的鋁靶上彈坑的形成過程；（c）分別對應(yīng)于被ADGF ⅲ，ⅴ和ⅵ撞擊的鋁靶內(nèi)在不同時刻的壓力分布

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.03.106