沖擊加載下石英玻璃對苯的沖擊相變誘導

陳源福，陳春彩，駱明輝

（閩南理工學院，福建泉州 362700）

苯作為典型的芳香化合物，其結構與含能材料具有很高的相似性，而含能材料的應用及其研究一直受人們的關注。其能量釋放特性及其控制途徑方面具有非常重要的應用背景，它們所承載的能量在極短時間內通過爆轟或爆燃方式被劇烈地釋放出來，以滿足某些特定工程目的對異常強大作功能力的需求，在釋放過程中的涉及到相變和新產物產生，而在這一釋放的過程物質處于高溫高壓狀態，輕氣炮加載下條件物質就可以在納秒的時間尺度提供這樣的條件，所以沖擊波加載成為研究此類問題的實驗手段。

苯的相變動力學研究，在靜高壓下已經有很多研究，得到了比較清晰的相變圖[1-4]，但在動高壓領域的相變還存在分歧，Walsh等[5]在爆轟加載下，利用光反射方法，在沖擊加載下對苯的透光性進行觀察，他們實驗結果未發現苯的相變依據；后來Matsuda 等[6]在激光加載下結合共振拉曼光譜方法，發現在4.2Gpa 壓力時苯在25ns 發生液固相變；而在后來Root 和Gupta 小組[7]在光透射和拉曼光譜測量技術，在0.6-13Gpa 范圍內沒有觀察到苯的液固相變，并分析Matsuda 等的研究結果是由于受到邊側稀疏波的影響，造成壓力不均勻而對實驗結果帶來的誤差。國內在前些年程小理等[8]利用光透射方法在多次沖擊加載下觀察苯的透射率的變化，發現苯在第二次沖擊壓力在1.91Gpa 時發生了相變，而趙北京等[9]在二級輕氣炮結合瞬態拉曼光譜測量技術在單次沖擊加載下苯在13Gpa下發生結構變化。因此，苯的高壓相變研究還有必要作進一步的探討。文獻[10-11]發現石英玻璃對水的沖擊相變有著促進作用，而石英玻璃對苯的沖擊相變是否有類似的作用，需要實驗進一步研究。

1 實驗原理與方法

實驗原理的示意圖如圖1所示，整個實驗裝置主要包含四個部分，炮管、彈丸、靶和光透射測量系統，彈丸由一級輕氣炮加載，其速度由安裝在出射口的磁測速裝置測得[12]，激光光源隱藏在彈丸之中，彈丸碰到靶面時光源接通，光依次通過飛片、基板、樣品、窗口，最后由收集光纖進入多通道高溫計把光信號轉換成電信號再由數字示波器記錄，實驗中通過記錄光透射率的變化情況來判斷苯的結構相變。飛片、基板、窗口的厚度分別為Φ30×12mm、Φ40×4mm、Φ30×12mm，密度為2.21g/cm3的石英玻璃。樣品苯夾在石英基板和石英窗口之間，由于樣品與石英玻璃的沖擊阻抗不同，沖擊波可以在基板與窗口之間來回反射，而對樣品進行多次沖擊[13]，樣品的壓力和溫度由阻抗匹配法計算得到[14]。樣品苯的Hugoniots關系：Us=1.50+1.67Up[15]。

圖1 實驗裝置示意圖

2 實驗結果與分析

如圖2所示為實驗1測量結果，橫坐標為時間，縱軸為光強度的電壓，t0為光源出光時刻，t1為樣品受到第二次沖擊的時刻，其彈丸速度為0.430 km/s，樣品厚度為1.291 mm。從實驗結果可以看出樣品光的透射率在第一次沖擊過程中保持不變，但當沖擊波到達窗口界面后反射對樣品進行第二次沖擊加載時光的透射率開始發生下降，隨后在多次沖擊加載下，光的透射率隨著壓力和溫度的升高而下降變得更加明顯。從相圖[2-3]來看，第一次沖擊的壓力為0.77 GPa、溫度為427 K，還在液相區，而第二次沖擊壓力1.64 GPa、溫度484 K，已經在苯Ⅱ相區，其光的透射率也開始下降，說明樣品的結構已經開始發生了變化。光的透射率隨著驅動力的作用不斷在變化，但這樣的變化是發生在體積內還是界面處，值得去驗證。為此我們用20 um的有機玻璃膜把樣品與石英玻璃隔開進行了實驗2，其飛片的速度為0.480 km/s,樣品厚度為2.909 mm，通過熱力學計算，樣品在第二次沖擊壓力為1.63 GPa，溫度為498 K,已跨入苯的固相區，但從實驗2結果中光的透射率在光源工作的時間內都沒有出現明顯的下降，如圖3所示。通過兩次實驗對比說明苯在多次沖擊加載下發生的相變與石英玻璃有著直接的關系。分析認為石英玻璃表面呈現負電性，存在弱電場的作用，使得在石英玻璃的表面的苯的氫鍵有序排列，為苯在沖擊加載下的相變提供有效成核條件，在驅動力的作用下在石英玻璃界面處發生了固相變化。

圖2 實驗1光的透射率隨時間變化

圖3 實驗2光的透射率隨時間變化

3 結論

在級輕氣炮加載過程中采用光透射測量技術對夾在石英玻璃之間的樣品苯進行在線觀察，通過觀察光的透射率變化來對苯的相變進行了研究，實驗結果說明，苯在多次沖擊加載中沖擊波到達石英玻璃窗口界面反射對樣品第二次加載時光的透射率開始發生變化，而樣品在與石英玻璃沒有接觸時，光的透射率沒有發生變化，表明石英玻璃對苯的沖擊相變起誘導作用。這將對苯的沖擊相變機理的進一步研究提供重要的信息。

致謝：本實驗在西南交通大學高溫高壓科學與技術實驗室張明建和薛學東老師等協助完成，在此表示感謝。