飛秒激光驅(qū)動(dòng)超高應(yīng)變率加載下鋁材料的層裂特性

辛建婷，席 濤，范 偉，何衛(wèi)華，李 綱，趙永強(qiáng)，稅 敏，儲(chǔ)根柏

（中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 綿陽(yáng) 621999）

層裂是指在沖擊加載下，因受運(yùn)動(dòng)方向相反的兩個(gè)稀疏波拉伸作用而使材料瞬間形成層狀裂片的現(xiàn)象。早在1914 年，Hopkinson 就在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了層裂現(xiàn)象，鑒于層裂在諸多工程問(wèn)題中的重要應(yīng)用，長(zhǎng)期以來(lái)受到科研工作者們的廣泛關(guān)注。從20 世紀(jì)60 年代至今，科學(xué)家利用各種實(shí)驗(yàn)手段和理論分析方法對(duì)層裂過(guò)程進(jìn)行了大量深入的研究。層裂現(xiàn)象涉及的材料動(dòng)力學(xué)問(wèn)題非常復(fù)雜，材料的加工歷史、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和初始缺陷、加載應(yīng)變率及應(yīng)力歷史、材料溫度等多種因素交織在一起，影響材料層裂損傷的發(fā)生和發(fā)展，決定層裂損傷過(guò)程的特性，其中加載應(yīng)變率對(duì)層裂損傷的影響尤為重要。已有的研究表明，不同加載應(yīng)變率對(duì)層裂損傷演化過(guò)程中的成核速度、裂紋形態(tài)等會(huì)造成顯著影響，最終導(dǎo)致層裂片厚度、層裂強(qiáng)度等存在差異。鑒于高速碰撞等極端壓縮過(guò)程中超高應(yīng)變率材料動(dòng)態(tài)破壞研究的迫切需求，109～1010s?1應(yīng)變率條件下材料的層裂損傷特性、規(guī)律和機(jī)制研究已成為極端條件下材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究的重要內(nèi)容，在工程應(yīng)用和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域均有重要意義。

Whiteman[1]和Skidmore[2]較早開(kāi)始關(guān)注應(yīng)變率對(duì)材料層裂強(qiáng)度的影響，采用不同飛片碰撞，產(chǎn)生102～103s?1加載應(yīng)變率條件，通過(guò)層裂實(shí)驗(yàn)樣品的回收分析，獲得了材料完全層裂的閾值，研究結(jié)果顯示，在102～103s?1應(yīng)變率范圍內(nèi)，材料完全層裂強(qiáng)度與應(yīng)變率的平方根成線(xiàn)性關(guān)系。早在1980 年，中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所就開(kāi)始采用強(qiáng)激光、炸藥爆轟及氫氣炮等加載方法開(kāi)展了105～108s?1應(yīng)變率條件下材料層裂特性隨應(yīng)變率變化的研究[3-5]，并首次觀測(cè)到鋁、鈦等不同性質(zhì)材料沿晶界由微孔洞合并而形成的延性裂紋，該現(xiàn)象僅在高應(yīng)變率條件下出現(xiàn)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還證實(shí)，隨著應(yīng)變率的增大，材料層裂強(qiáng)度也會(huì)增大。

隨著研究的不斷深入，109～1010s?1超高應(yīng)變率條件下材料層裂損傷演化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究也逐步開(kāi)展起來(lái)。2001 年，Tamura 等[4]利用皮秒和飛秒激光開(kāi)展了超高應(yīng)變率載荷下鋁材料層裂特性的研究，測(cè)量了回收樣品的層裂片厚度，發(fā)現(xiàn)層裂片厚度與靶厚度成線(xiàn)性關(guān)系。Cuq-lelandais 等[5]在Tamura 等的研究基礎(chǔ)上，利用激光干涉測(cè)速技術(shù)（laser interferometer velocimetry，VISAR）對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的自由面速度剖面進(jìn)行了測(cè)量，希望根據(jù)層裂樣品自由面速度剖面特征對(duì)材料發(fā)生層裂損傷的過(guò)程進(jìn)行分析，然而研究發(fā)現(xiàn)VISAR 診斷的時(shí)間分辨率不足以反映飛秒激光驅(qū)動(dòng)沖擊加載下的超快過(guò)程。2013 年，俄羅斯Ashitkov 等[6-9]在飛秒激光沖擊加載下材料層裂特性研究中采用了頻譜干涉超快診斷技術(shù)，測(cè)量了樣品的自由面速度剖面，并獲得了超高應(yīng)變率條件下鐵、鋁等材料的層裂強(qiáng)度，結(jié)果表明，在109～1010s?1應(yīng)變率條件下，材料的實(shí)驗(yàn)層裂強(qiáng)度與理論層裂強(qiáng)度接近。該結(jié)果與Cuq-lelandais 等[5,10-11]在類(lèi)似實(shí)驗(yàn)研究中給出的結(jié)果的差異較大，分析認(rèn)為可能是由于樣品厚度和材料微結(jié)構(gòu)是較敏感的因素。總之，目前開(kāi)展的109～1010s?1超高應(yīng)變率條件下的材料層裂研究，由于實(shí)驗(yàn)加載和診斷技術(shù)存在較大難度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲取層裂損傷過(guò)程的研究數(shù)據(jù)非常有限，尚未建立規(guī)律性認(rèn)識(shí)。

本研究將開(kāi)展飛秒激光驅(qū)動(dòng)沖擊加載下鋁材料的層裂實(shí)驗(yàn)，采用自主設(shè)計(jì)并搭建的超快啁啾頻域干涉系統(tǒng)，測(cè)量鋁材料的自由面速度剖面，獲取109s?1應(yīng)變率下鋁材料的層裂強(qiáng)度，并對(duì)鋁材料層裂強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法

飛秒激光驅(qū)動(dòng)的超高應(yīng)變率條件下鋁材料的層裂特性研究實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的45 TW 飛秒激光裝置上開(kāi)展的。實(shí)驗(yàn)采用飛秒激光直接驅(qū)動(dòng)沖擊加載鋁樣品，根據(jù)沖擊加載下鋁樣品層裂發(fā)生與自由面速度剖面之間的關(guān)系，通過(guò)基本力學(xué)圖像對(duì)超高應(yīng)變率下的材料層裂現(xiàn)象進(jìn)行宏觀研究，同時(shí)回收層裂損傷樣品進(jìn)行分析，對(duì)鋁材料層裂損傷剖面進(jìn)行直觀觀測(cè)。

在超短飛秒激光驅(qū)動(dòng)沖擊加載下，鋁樣品的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是一個(gè)超快過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)樣品自由面速度剖面測(cè)量，自主設(shè)計(jì)并搭建了啁啾頻域干涉超快測(cè)量診斷系統(tǒng)[12-13]，圖1 為實(shí)驗(yàn)加載及診斷排布示意圖。

圖1 鋁材料層裂實(shí)驗(yàn)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the aluminum spallation experiment

采用飛秒激光束對(duì)樣品進(jìn)行直接加載，飛秒激光束的脈沖寬度為35 fs，中心波長(zhǎng)為800 nm，光譜寬度為40 nm。飛秒激光束分為兩束：一束為加載束，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦，作用在靶樣品上，加載光斑直徑為1 mm，加載激光束能量為1 mJ，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)能量計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量；另一束為診斷束，進(jìn)入啁啾頻域干涉系統(tǒng)，用于測(cè)量樣品的自由面運(yùn)動(dòng)過(guò)程。超快啁啾頻域干涉系統(tǒng)主要由馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x和光譜儀組成，其具體診斷原理和光路設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[12-13]。實(shí)驗(yàn)診斷過(guò)程中兩束攜帶自由面位移信息的干涉光束進(jìn)入光譜儀狹縫，光譜儀記錄干涉條紋。每發(fā)實(shí)驗(yàn)需記錄激光加載前靜態(tài)時(shí)樣品的干涉條紋和激光加載沖擊波波破自由面發(fā)生位移后的干涉條紋，通過(guò)對(duì)干涉條紋進(jìn)行傅里葉變換，解讀診斷中心區(qū)樣品的自由面位移曲線(xiàn)。啁啾頻域干涉測(cè)量系統(tǒng)的單發(fā)次診斷時(shí)長(zhǎng)為240 ps，時(shí)間分辨率為2.4 ps，自由面位移診斷空間分辨率好于5 nm。

實(shí)驗(yàn)樣品為純鋁，樣品厚度760 nm。鋁樣品通過(guò)蒸鍍方法制備在厚度為100 μm 的石英基底上。采用白光干涉儀測(cè)量鋁樣品的厚度，其厚度測(cè)量偏差為±7 nm。實(shí)驗(yàn)中的飛秒激光通過(guò)石英基底作用在鋁樣品表面上，驅(qū)動(dòng)超短脈寬沖擊波在樣品中傳播。沖擊波波破時(shí)，樣品自由面發(fā)生位移，位移量?jī)H為納米量級(jí)。通過(guò)對(duì)該位移過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)診斷，反演樣品的自由面運(yùn)動(dòng)速度剖面，并根據(jù)層裂的發(fā)生與自由面速度剖面之間的關(guān)系分析層裂過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

通過(guò)能量為1 mJ 的飛秒激光脈沖對(duì)厚度為760 nm 的鋁樣品進(jìn)行加載，加載中心區(qū)激光能量密度為1.04 J/cm2。由啁啾頻域的干涉診斷光束對(duì)激光加載中心區(qū)對(duì)應(yīng)的樣品自由面區(qū)域進(jìn)行診斷。圖2為啁啾干涉測(cè)量獲得的鋁樣品自由面的位移隨時(shí)間相移數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)為頻譜相移，縱坐標(biāo)為光譜儀狹縫掃描方向相移，該方向與樣品自由面位移區(qū)域的x軸方向一致。圖3 為4 發(fā)次鋁樣品的自由面位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，不同顏色曲線(xiàn)代表不同發(fā)次的樣品自由面頻譜相移。可以看出，在相同加載條件下，不同發(fā)次診斷獲得的樣品自由面的首次位移起跳具有較好的重復(fù)性，但其位移隨時(shí)間的變化相差較大，推測(cè)應(yīng)該是由于樣品厚度差異導(dǎo)致的。

圖2 鋁樣品自由面位移時(shí)頻譜相移Fig. 2 Phase shift data of shocked Al sample

圖3 鋁樣品自由面位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig. 3 Free surface displacement history curves of Al samples obtained by multiple experiments

以第3 發(fā)次實(shí)驗(yàn)為例，獲取的樣品自由面位移曲線(xiàn)和速度剖面如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)樣品厚度為760 nm，飛秒激光脈寬為35 fs，能量為1 mJ，功率密度為2.9×1013W/cm2。圖4(a)所示的自由面位移曲線(xiàn)是根據(jù)頻域相移通過(guò)解譜分析得到的。首先由曲線(xiàn)獲得樣品自由面運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間，根據(jù)該啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算鋁樣品中飛秒激光驅(qū)動(dòng)沖擊波的平均運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)樣品自由面位移曲線(xiàn)微分，得到樣品的自由面速度剖面，如圖4(b)所示。ufs為樣品自由面速度， Δt為樣品自由面一次起跳和二次起跳之間的時(shí)間差。

圖4 飛秒激光加載下鋁的自由面位移曲線(xiàn)(a)和速度剖面(b)Fig. 4 Displacement curve (a) and velocity profile (b) of Al sample on free surface loaded by femtosecond laser

2.1 應(yīng)變率分析

2.2 樣品內(nèi)的加載壓強(qiáng)分析

2.3 超高應(yīng)變率條件下鋁材料的層裂強(qiáng)度分析

在材料層裂損傷過(guò)程的研究中，作為工程上非常關(guān)心的問(wèn)題，層裂強(qiáng)度被賦予了重要意義，可以通過(guò)層裂強(qiáng)度表征材料在特定條件下的抗拉伸能力。目前，計(jì)算材料層裂強(qiáng)度的通用方法是，依據(jù)自由面速度剖面，在聲速近似條件下給出鋁的層裂強(qiáng)度

根據(jù)式(9)對(duì)厚度為760 nm 鋁膜在2.9×1013W/cm2激光功率密度條件下的第3 發(fā)次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，得到鋁材料在3.6×109s?1應(yīng)變率條件下的層裂強(qiáng)度約為7 GPa。對(duì)本實(shí)驗(yàn)中全部發(fā)次數(shù)據(jù)進(jìn)行層裂強(qiáng)度計(jì)算，得到實(shí)驗(yàn)中鋁材料層裂強(qiáng)度的平均值為6.89 GPa。

圖5 為本實(shí)驗(yàn)中飛秒激光加載下獲得的層裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)與早期獲取的104～108s?1應(yīng)變率下的實(shí)驗(yàn)及計(jì)算數(shù)據(jù)[15]對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變率的增大，材料的層裂強(qiáng)度明顯增大。對(duì)文獻(xiàn)[15-21]中104～108s?1應(yīng)變率下鋁材料的層裂強(qiáng)度與本實(shí)驗(yàn)中109s?1應(yīng)變率下的層裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)鋁材料的層裂強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大呈指數(shù)增大，如圖5 中藍(lán)色虛線(xiàn)所示，鋁的層裂強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系符合 σspall=1.14+0.003ε˙0.3。

圖5 鋁材料層裂強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化Fig. 5 Variation of spalling strength of aluminum with strain rate

2.4 實(shí)驗(yàn)樣品回收分析

在動(dòng)態(tài)診斷實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開(kāi)展了厚樣品的層裂實(shí)驗(yàn)，并對(duì)回收的層裂破壞樣品進(jìn)行顯微觀察。回收的鋁樣品厚度為30 μm，該厚度的鋁膜能夠?qū)崿F(xiàn)自支撐，通過(guò)夾具夾持在靶架上。鋁樣品的純度為99.99%。實(shí)驗(yàn)在真空中開(kāi)展，飛秒激光聚焦后直接作用在鋁膜上，激光光斑直徑約為1 mm，飛秒激光能量為200 mJ。實(shí)驗(yàn)后回收鋁膜，對(duì)鋁膜的層裂破壞區(qū)樣品進(jìn)行制樣，并進(jìn)行顯微觀測(cè)。

圖6 為鋁樣品層裂損傷區(qū)的顯微圖像。從圖6 中可以看出，未完全斷裂飛出的層裂片脫離鋁樣品形成了一個(gè)薄層；而斷裂區(qū)域的形貌規(guī)則平整，初步認(rèn)為該形貌是由大量孔洞合并連接后在邊界處形成的斷裂。將回收樣品進(jìn)行制樣和磨樣，觀測(cè)樣品的層裂區(qū)剖面，如圖7 所示，測(cè)量得到層裂片的厚度約為6.6 μm。

圖6 鋁樣品層裂片的顯微圖像Fig. 6 Microscopic images of spall layer of Al sample

圖7 鋁樣品層裂區(qū)剖面的顯微圖像Fig. 7 Section microscopic images of spallation zone of Al sample

3 結(jié) 論

開(kāi)展了飛秒脈沖激光驅(qū)動(dòng)沖擊加載下鋁材料在超高應(yīng)變率條件下的層裂實(shí)驗(yàn)，搭建了啁啾頻域干涉超快診斷平臺(tái)，單發(fā)次測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為240 ps，時(shí)間分辨率為2.4 ps，能夠?qū)崿F(xiàn)樣品自由面位移診斷精度為2～3 nm。根據(jù)層裂發(fā)生與自由面速度剖面之間的關(guān)系，分析飛秒激光加載下鋁材料的層裂特性，實(shí)驗(yàn)中自由面附近的加載壓強(qiáng)達(dá)到7.37 GPa，加載應(yīng)變率為3.0×109s?1。通過(guò)層裂強(qiáng)度的聲速近似公式，計(jì)算得到鋁材料的層裂強(qiáng)度約為7 GPa，與104～108s?1應(yīng)變率下鋁材料的層裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，鋁材料的層裂強(qiáng)度隨著加載應(yīng)變率的增大呈指數(shù)增大。