武汉理工大学罗国强教授课题组《JMRT》：使用树脂基面密度梯度飞片实现在无冲击准等熵加载下应变率的调控
发布日期：2024-04-26
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材料在不同加载应变率下会表现出不同的力学行为。对于应用于航空航天、国防军工、精密切削等极端服役载荷领域的关键材料，获取它们在不同应变率下的物性参数并构建材料数据库是十分重要的。然而，常见的力学加载手段包括准静态加载（10-3~10-1 s-1）、高速液压伺服试验机（10-1~103 s-1）和霍普金森杆（103~104 s-1），它们难以实现对104 s-1及以上量级加载应变率的调控。
使用轻气炮驱动面密度梯度飞片（ADGF）的准等熵加载技术在动态高压领域具有重要应用。通过对ADGF的结构设计，可实现对加载路径、加载应变率的调控。在动态加载实验中，靶材加载过程的分析是基于单轴加载的。ADGF具有独特的加载机制，靶材中经过波系整合后才开始进行单轴加载，缓慢的波系整合过程不利于实验分析。此外，获得ADGF结构与加载应变率之间的构效关系对于指导ADGF的设计十分重要。
针对以上问题，该团队通过使用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术(microArch® S240，精度：10 μm)制备出树脂基ADGF。通过对面密度梯度分布和针尖数量密度进行设计，实现了对104 s-1量级加载应变率的调控，这一加载应变率范围是现有常见加载技术难以实现的。增大针尖数量密度促进了波系整合过程，使得观测区域内的加载应变率更加均匀。
相关研究成果以“Regulating loading strain rates under shockless quasi-isentropic compression using a resin-based areal density gradient flyer”为题发表在国际著名期刊《Journal of Materials Research and Technology》上（SCI一区，Top期刊，IF=6.4）。武汉理工大学硕士研究生吴澳杰为第一作者，武汉理工大学张睿智和张建教授为通信作者。该工作得到了国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究重大专项、武汉理工大学三亚科教园和的支持。
首先展示了具有不同面密度梯度分布和针尖数量密度的树脂基ADGF结构设计（图1和图2）。通过调控旋转曲线解析函数来控制ADGF的面密度梯度分布，并通过调控针尖底面半径来控制ADGF的针尖数量密度。使用三维轮廓仪、光学显微镜、扫描电子显微镜和超景深显微镜对树脂基ADGF进行结构表征。采用PµSL增材制造技术制备的树脂基ADGF具有很高的打印精度，该打印精度优于之前报道的金属基ADGF和陶瓷基ADGF。
图1 具有不同面密度梯度分布ADGF的针尖结构模型
图2 具有不同针尖数量密度的ADGF结构模型
随后，团队采用有限元模拟和轻气炮加载实验研究树脂基ADGF的应变率调控性能。结果显示，有限元模拟与轻气炮加载实验具有较好的一致性。ADGF面密度梯度分布对加载结果的影响如图3所示。ADGF ⅰ的波阻抗分布指数（P）为0，这意味着在冲击加载下，会产生最大的应变率。ADGF ⅱ-ⅳ的P值分别为1、2、3，表现为准等熵加载。随着P值的增大，加载应变率和标准差也随之增大，应变率标准差反映了加载应变率的均匀程度和波系整合效果。因此，增大ADGF的P值，缓冲层的厚度也需要适当增加，才能实现较理想的单轴加载效果。
图3 ADGF面密度梯度分布对加载结果的影响：（a）面密度梯度分布对加载路径的影响；（b）面密度梯度分布对加载应变率的影响
接着，团队研究了针尖数量密度对加载结果的影响（如图4所示）。图4（a）为动态加载实验后回收的铝靶。有趣的是，撞击面弹坑的形状为正方形而不是圆形，这证实了波系整合的发生。图4（b）描述了弹坑的形成过程，ADGF ⅲ, ⅴ, ⅵ的针尖数量密度依次增大。当ADGF ⅲ, ⅴ, ⅵ撞击靶材时，分别在1.8，1.4和1.0 μs的时间点完成了多个球面波向一维平面波的转变，靶材开始受到单轴加载。随着针尖数量密度的增大，加载应变率也增大，而应变率标准差却减小（如图5所示）。为了制备高针尖数量密度的ADGF，提高打印精度是关键，这不仅有利于缩短波系整合所需时间，还能简化靶材加载过程的分析。
图4 靶材中平面波的形成过程：（a）被ADGF ⅲ撞击后的铝靶；（b）被ADGF ⅲ撞击的铝靶上弹坑的形成过程；（c）分别对应于被ADGF ⅲ，ⅴ和ⅵ撞击的铝靶内在不同时刻的压力分布
图5 ADGF ⅲ，ⅴ和ⅵ的加载应变率
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.03.106
