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K9玻璃动态损伤过程中的电阻率测量实验研究

作　者: 杨佳
导　师: 贺红亮；王文强；宋振飞
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 凝聚态物理
关键词: K9玻璃冲击波损伤破坏电阻率
分类号: O346.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

脆性介质的动态损伤与破坏是多学科相互交叉的基础性问题,在工程应用中也有着重要的应用背景。对于冲击波加载下脆性介质的损伤与破坏,其影响因素很多,包括载荷大小、应变率以及样品自身的物理力学特性等等,这些因素使得问题的研究变得复杂与困难。与静态加载相比,冲击波作用下脆性介质的损伤与破坏实验研究的手段相对单一,并且关注的主要是损伤破坏过程中介质的力学参量的变化,例如应力、应变、声阻抗等等。有鉴于此,本论文拟在传统的损伤破坏实验研究的基础上,结合动高压凝聚态介质电阻率测量方法,尝试研究脆性介质损伤破坏过程中的电学参量的变化。论文以K9玻璃作为典型的脆性绝缘介质,在一级轻气炮上开展了一维应变冲击波加载实验,试图在以往力学测量的基础上引入电学测量,从一个新的物理角度来探讨材料的损伤破坏问题,探索绝缘脆性介质中的损伤破坏与电阻率下降的对应关系。论文的主要研究结果和创新点如下：(1)对Weir等人的对称差分电路方法进行了一系列改进,包括(a)增加样品和飞片的厚度；(b)增加识别冲击波传播的时标信号；(c)提高测量电路的电压至1500V；(d)增加零前检查系统。改进后的测量电路和测量方法,更有利于观测脆性介质在低冲击波加载应力下,电阻率随时间演化的过程和对应关系,为测量K9玻璃在Hugoniot弹性极限应力范围内,电阻率的变化行为提供了实验手段。(2)得到了K9玻璃Hugoniot弹性极限范围内电阻率的量化数据以及电阻率随冲击波加载应力变化的规律。实验结果表明,当冲击波加载应力低于1.0GPa时,K9玻璃可视为绝缘体,在2.7GPa左右,K9玻璃电阻率开始有较明显的降低,电阻率的数值在103Ωm量级,6.0GPa-7.7GPa的冲击波加载应力时电阻率在102Ωm量级。以往的文献报道认为,绝缘材料只有在很高的冲击波加载应力下(远远高于材料的Hugoniot弹性极限),由于冲击波压缩效应,介质的电阻率才会有较明显的下降,本论文的实验结果对材料冲击波加载下电阻率下降的物理现象提供了新的认识。(3)通过设计一系列实验,进行系统分析,确定了K9玻璃电阻率下降的物理因素。首先,采用电容器放电方法,确认了在Hugoniot弹性极限应力范围内,冲击波压缩效应不会对K9玻璃的电阻率下降造成影响。其次,采用多点激光位移干涉DPS测量技术,实时监测K9玻璃的透明度变化,与电阻率测量一起共同表征了损伤破坏与电阻率下降之间的对应关系,建立了裂纹均匀扩展模型,估算出动态裂纹扩展的速度,与胡昌明报道的K9玻璃中的动态裂纹扩展,以及Xia(夏开文)等人提出的超剪切裂纹的扩展速度相当,从而确认了电极孔周围裂纹扩展对K9玻璃电阻率下降的影响。第三,对K9玻璃电阻率实时测量过程中的电压信号波形进行了细致解读,指出当K9玻璃样品前界面传入的破坏波到达电极顶端时会使样品的电阻率进一步降低,在测试电压信号中出现一个特征拐点。该拐点的确认,不仅说明了破坏波对电阻率下降的影响,而且由此提出了一种观测破坏波的新方法。(4)结合脆性介质断裂过程中的带电粒子释放现象及压缩原子模型、化学键断裂模型(?)(?)Positive Hole Pair(PHP)模型,提出K9玻璃中新形成的动态裂纹是导电的,由此分析了K9玻璃中动态裂纹导电的物理机制和主要特征,较好地解释了冲击波加载下K9玻璃电阻率下降的变化行为和实验结果。并且,将冲击波作用下电介质中裂纹导电的物理分析应用于功能材料的力电耦合的电击穿问题,讨论了冲击波作用下功能材料的电阻率下降行为和物理特征。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-21
  1.1 脆性介质压缩损伤与破坏简介  10-14
    1.1.1 脆性介质断裂力学基础  10-12
    1.1.2 脆性介质压缩破坏的翅裂纹扩展模型  12-14
  1.2 冲击波压缩下脆性介质中的破坏波研究  14-17
    1.2.1 破坏波概述  14-15
    1.2.2 玻璃中的破坏波  15-17
  1.3 材料动态损伤与电阻率变化  17-18
    1.3.1 冲击波压缩作用下介质的电阻率变化  18
    1.3.2 动态损伤破坏对介质电阻率的影响  18
  1.4 文献研究总结及评价  18-19
  1.5 论文的研究思路及工作框架  19-21
第二章实验原理和方法  21-35
  2.1 冲击波压缩下电阻率测量的基本原理和实验方法  21-27
    2.1.1 冲击波压缩下金属的电阻率测量  21-22
    2.1.2 冲击波压缩下绝缘介质的电阻率测量  22-26
    2.1.3 不同测试方法的优缺点  26-27
  2.2 冲击波加载和飞片/样品设计原则  27-29
    2.2.1 冲击波加载  27-28
    2.2.2 飞片/样品设计原则  28-29
  2.3 冲击波加载应力的计算  29-31
  2.4 DPS测试技术  31-33
  2.5 K9玻璃的基本力学参数  33
  2.6 本章小结  33-35
第三章低冲击应力下K9玻璃电阻率实时测量  35-45
  3.1 电阻率测量的实验装置与实验电路  35-38
  3.2 电阻率测量的数据处理方法  38-40
  3.3 实验结果与分析  40-43
    3.3.1 电阻率随加载时间的变化  40-41
    3.3.2 电阻率与冲击波载荷的关系  41-43
  3.4 电阻率下降的主要因素分析  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第四章 K9玻璃导电行为的实验确认与分析  45-67
  4.1 冲击波压缩效应对电阻率下降的影响  45-51
    4.1.1 冲击波压缩效应与电阻率下降的关系  45-47
    4.1.2 电容器放电方法及电阻率测量  47-49
    4.1.3 实验结果与讨论  49-51
  4.2 电极孔周围裂纹扩展对电阻率下降的影响  51-60
    4.2.1 电极孔影响电阻率测量的初步判断  51
    4.2.2 实验方法及实验测量  51-55
    4.2.3 电极孔周围裂纹扩展与电阻率下降的对应关系  55-60
  4.3 破坏波裂纹扩展对电阻率下降的影响  60-66
    4.3.1 K9玻璃中的冲击波速度  60-63
    4.3.2 破坏波传播与电阻率对应关系  63-66
  4.4 本章小结  66-67
第五章 K9玻璃动态裂纹导电机制的物理分析  67-76
  5.1 K9玻璃冲击波作用下的损伤破坏行为  67
  5.2 K9玻璃电阻率下降的可能原因——导电裂纹  67-68
  5.3 动态扩展裂纹导电的物理分析  68-72
    5.3.1 介质导电的基本表述  68-69
    5.3.2 K9玻璃动态裂纹导电的载流子分析  69-71
    5.3.3 动态裂纹导电的行为特征  71-72
  5.4 动态扩展裂纹导电引起的电击穿  72-74
  5.5 本章小结  74-76
第六章全文总结与展望  76-79
  6.1 全文总结  76-77
  6.2 主要创新点  77-78
  6.3 工作展望  78-79
参考文献  79-85
附录  85-86
致谢  86

K9玻璃动态损伤过程中的电阻率测量实验研究

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