武漢理工大(da)學羅(luo)國(guo)強教授課(ke)題(ti)組(zu)：使用(yong)樹(shu)脂基面(mian)密度梯度(du)飛片實現應變率的調控

材料在不同(tong)加(jia)載應變率下會(hui)表(biao)現出(chu)不同(tong)的(de)力(li)學(xue)行為。對於(yu)應用(yong)於(yu)航空航(hang)天、精密切(qie)削(xue)等載荷(he)領域(yu)的關(guan)鍵材料，獲取(qu)它們(men)在不同(tong)應變率下的(de)物(wu)性(xing)參數並構(gou)建(jian)材料數據庫(ku)是(shi)十(shi)分(fen)重(zhong)要的。然(ran)而(er)，常(chang)見的(de)力(li)學(xue)加(jia)載手(shou)段包括(kuo)準(zhun)靜態(tai)加(jia)載（10^-3~10^-1 s^-1）、高速(su)液壓(ya)伺(si)服(fu)試驗機（10^-1~10³ s^-1）和霍普金(jin)森(sen)桿（10³~10⁴ s^-1），它們(men)難以(yi)實現對10⁴ s^-1及以(yi)上(shang)量(liang)級加(jia)載應變率的調控。

使用(yong)輕氣炮(pao)驅動面(mian)密度梯度(du)飛片（ADGF）的準(zhun)等熵(shang)加(jia)載技(ji)術(shu)在(zai)動(dong)態(tai)高壓(ya)領域具(ju)有重(zhong)要應用(yong)。通(tong)過對ADGF的(de)結構(gou)設計(ji)，可實現對加(jia)載路(lu)徑、加(jia)載應變率的調控。在動(dong)態加(jia)載實驗中，靶(ba)材加(jia)載過(guo)程的分(fen)析(xi)是基(ji)於單軸(zhou)加(jia)載的(de)。ADGF具有特(te)別的加(jia)載機(ji)制，靶(ba)材中經(jing)過波(bo)系(xi)整合(he)後才開(kai)始進(jin)行單(dan)軸(zhou)加(jia)載，緩(huan)慢的(de)波(bo)系(xi)整合(he)過程不利(li)於實驗分(fen)析(xi)。此(ci)外(wai)，獲得(de)ADGF結構(gou)與(yu)加(jia)載應變率之間的(de)構(gou)效關(guan)系(xi)對於(yu)指(zhi)導(dao)ADGF的設計(ji)十(shi)分(fen)重(zhong)要。

針對以(yi)上(shang)問(wen)題(ti)，該團隊(dui)通過(guo)使用(yong)摩(mo)方精密面投影微立體(ti)光刻（PμSL）技術(shu)(microArch^® S240，精度：10 μm)制備出(chu)樹(shu)脂基(ji)ADGF。通過(guo)對面(mian)密度梯度(du)分(fen)布(bu)和針(zhen)尖數量(liang)密度進行(xing)設計，實現了對10⁴ s^-1量(liang)級加(jia)載應變率的調控，這壹(yi)加(jia)載應變率範圍是(shi)現有常(chang)見加(jia)載技(ji)術(shu)難(nan)以(yi)實現的。增大(da)針尖數量(liang)密度促(cu)進了波(bo)系(xi)整合(he)過程，使得觀測區(qu)域(yu)內的加(jia)載應變率更加(jia)均勻(yun)。

相關(guan)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)以(yi)“Regulating loading strain rates under shockless quasi-isentropic compression using a resin-based areal density gradient flyer"為題(ti)發表在(zai)國(guo)際(ji)著(zhu)名期(qi)刊(kan)《Journal of Materials Research and Technology》上(shang)（SCI壹(yi)區，Top期(qi)刊(kan)，IF=6.4）。武(wu)漢理工大(da)學碩(shuo)士(shi)研究(jiu)生吳(wu)澳(ao)傑為第壹(yi)作者(zhe)，武(wu)漢理工大(da)學張(zhang)睿智和張(zhang)建(jian)副(fu)教(jiao)授為通信作者(zhe)。該工作得(de)到(dao)了國家重(zhong)點研發計劃(hua)、廣(guang)東省基(ji)礎與(yu)應用(yong)基(ji)礎研究(jiu)重(zhong)大(da)專項(xiang)、武(wu)漢理工大(da)學三(san)亞(ya)科教(jiao)園(yuan)和沖擊(ji)波(bo)物(wu)理(li)與(yu)爆(bao)轟(hong)物(wu)理國家重(zhong)點實驗室基金(jin)的支(zhi)持。

首先(xian)展(zhan)示了具有不同(tong)面(mian)密度梯度(du)分(fen)布(bu)和針(zhen)尖數量(liang)密度的樹(shu)脂基ADGF結構(gou)設計(ji)（圖(tu)1和圖(tu)2）。通(tong)過(guo)調控旋轉(zhuan)曲(qu)線(xian)解(jie)析(xi)函數來控制ADGF的面密度梯度(du)分(fen)布(bu)，並通(tong)過(guo)調控針尖底面(mian)半(ban)徑來控制ADGF的針尖數量(liang)密度。使用(yong)三(san)維輪廓(kuo)儀(yi)、光學顯微鏡(jing)、掃(sao)描電(dian)子(zi)顯微鏡(jing)和超(chao)景深(shen)顯(xian)微鏡對樹(shu)脂基(ji)ADGF進行(xing)結(jie)構(gou)表征。采(cai)用(yong)PµSL增材制造技術(shu)制備的樹脂基(ji)ADGF具(ju)有很(hen)高的打(da)印精度，該打(da)印精度優(you)於之前報道的金屬(shu)基ADGF和陶(tao)瓷(ci)基ADGF。

圖(tu)1 具(ju)有不同(tong)面(mian)密度梯度(du)分(fen)布(bu)ADGF的針尖結構(gou)模(mo)型(xing)

圖(tu)2 具(ju)有不同(tong)針(zhen)尖數量(liang)密度的ADGF結(jie)構(gou)模(mo)型(xing)

隨後，團隊(dui)采(cai)用(yong)有限(xian)元(yuan)模(mo)擬(ni)和輕氣炮(pao)加(jia)載實驗研究(jiu)樹脂(zhi)基ADGF的應變率調控性能(neng)。結果(guo)顯(xian)示(shi)，有限(xian)元(yuan)模(mo)擬(ni)與(yu)輕氣炮(pao)加(jia)載實驗具有較好(hao)的(de)壹(yi)致性(xing)。ADGF面密度梯度(du)分(fen)布(bu)對加(jia)載結(jie)果(guo)的(de)影響(xiang)如圖(tu)3所(suo)示(shi)。ADGF ⅰ的(de)波(bo)阻(zu)抗(kang)分(fen)布(bu)指(zhi)數（P）為0，這意味(wei)著(zhe)在沖擊(ji)加(jia)載下(xia)，會(hui)產(chan)生最(zui)大(da)的應變率。ADGF ⅱ-ⅳ的P值分(fen)別為1、2、3，表現為準等熵(shang)加(jia)載。隨(sui)著(zhe)P值的增大(da)，加(jia)載應變率和標(biao)準差(cha)也隨之增大(da)，應變率標準(zhun)差(cha)反映了加(jia)載應變率的均(jun)勻(yun)程度(du)和波(bo)系(xi)整合(he)效果(guo)。因(yin)此(ci)，增大(da)ADGF的P值，緩(huan)沖層(ceng)的厚(hou)度也需(xu)要適當增加(jia)，才能(neng)實現較理想的單軸(zhou)加(jia)載效(xiao)果(guo)。

圖(tu)3 ADGF面(mian)密度梯度(du)分(fen)布(bu)對加(jia)載結(jie)果(guo)的(de)影響(xiang)：（a）面密度梯度(du)分(fen)布(bu)對加(jia)載路(lu)徑的(de)影響(xiang)；（b）面密度梯度(du)分(fen)布(bu)對加(jia)載應變率的影響(xiang)

接著(zhe)，團隊(dui)研究(jiu)了針尖數量(liang)密度對加(jia)載結(jie)果(guo)的(de)影響(xiang)（如圖(tu)4所(suo)示(shi)）。圖(tu)4（a）為動態加(jia)載實驗後回(hui)收的鋁(lv)靶(ba)。有趣(qu)的(de)是(shi)，撞擊面(mian)彈(dan)坑的形狀為正方形而(er)不是(shi)圓形，這證(zheng)實了波(bo)系(xi)整合(he)的發生。圖(tu)4（b）描述了彈(dan)坑的形成(cheng)過程(cheng)，ADGF ⅲ, ⅴ, ⅵ的(de)針(zhen)尖數量(liang)密度依(yi)次(ci)增大(da)。當ADGF ⅲ, ⅴ, ⅵ撞擊(ji)靶(ba)材時，分(fen)別在1.8，1.4和1.0 μs的(de)時間(jian)點(dian)完(wan)成(cheng)了多個球(qiu)面波(bo)向(xiang)壹(yi)維平(ping)面(mian)波(bo)的(de)轉(zhuan)變，靶(ba)材開(kai)始受(shou)到單(dan)軸(zhou)加(jia)載。隨(sui)著(zhe)針尖數量(liang)密度的增大(da)，加(jia)載應變率也增大(da)，而(er)應變率標準(zhun)差(cha)卻(que)減小（如圖(tu)5所(suo)示(shi)）。為了制備高針尖數量(liang)密度的ADGF，提(ti)高打(da)印精度是(shi)關(guan)鍵，這不僅(jin)有利(li)於(yu)縮(suo)短波(bo)系(xi)整合(he)所需(xu)時間(jian)，還(hai)能(neng)簡(jian)化靶(ba)材加(jia)載過(guo)程的分(fen)析(xi)。

圖(tu)4 靶(ba)材中平(ping)面(mian)波(bo)的(de)形成(cheng)過程(cheng)：（a）被ADGF ⅲ撞(zhuang)擊後的鋁(lv)靶(ba)；（b）被ADGF ⅲ撞(zhuang)擊的(de)鋁(lv)靶(ba)上(shang)彈(dan)坑的形成(cheng)過程(cheng)；（c）分(fen)別對應於被ADGF ⅲ，ⅴ和ⅵ撞(zhuang)擊的(de)鋁(lv)靶(ba)內在不同(tong)時刻(ke)的(de)壓(ya)力(li)分(fen)布(bu)

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