沖擊加載下苯的透光特性

陳源福

(閩南理工學院 土木工程學院基礎部，福建 泉州 362700)

苯作為重要的芳香、環狀類化合物的代表，也是其同系物的主要構成結構[1]，結構與含能材料相似，有重要的工程應用背景，對其物性的研究有著重要的意義.自從1914年Bridgman[2]首次在靜高壓下獲得苯的相關數據以來，苯在高壓下的相圖[3--5]已經有一個比較清晰的劃分.Lucia Ciabini[6]和Thiery and Leger[7],Adams and Appleby等[8]都在靜態壓縮下觀測到了苯相變的發生，但是他們都認為這個轉變過程遲緩.而在動高壓下，Dick[9]在1969年第一次用沖擊加載方法研究苯在沖擊過程中的相變，認為其經歷了一個瞬態轉變過程.Matsuda等[10]在激光沖擊加載下，利用拉曼光譜檢測，在壓力達到4.2 GPa和溫度600 K時，發現苯發生液-固轉變，并且認為結構的變化與時間有關，這種結構的轉變大約在25 ns內完成.Walsh and Rice[11]在爆轟加載下，采用側光反射的方法，對苯等15種透明液體的透光性做了研究，就苯而言，在一次沖擊過程中沒有觀測到透光性發生變化.Root and Gupta[12]采用多次沖擊加載液態苯方法，在0.6～13 GPa范圍內，也發現液態苯透光性沒有發生變化.并認為Matsuda等人的激光加載受到邊側稀疏波的影響，其實驗結果存在誤差.對比靜高壓、激光加載和動高壓實驗結果，沖擊相變動力學仍然是非常值得進一步探究的問題.本文利用輕氣炮加載帶有穩定性較好的小功率脈沖激光彈丸，適時在線觀測多次沖擊下液態苯的透光性變化，來研究苯的相變問題.

1 實驗原理與方法

實驗裝置如圖1所示，飛片、基板和窗口均為石英玻璃，密度為2.21 g/cm3.液體苯被夾在基板(Φ40×4 mm)和窗口(Φ30×10 mm)之間，苯樣品處于可控的循環裝置中，用來保證樣品中沒有空氣且純度滿足實驗要求.小功率激光內置于彈丸之中，激光波長為650 nm，光斑直徑小于1 mm.

實驗時，帶有激光光源的彈丸由一級輕氣炮加載加速，彈丸的速度由磁測速系統測量[13].彈丸的飛片與基板碰撞時，壓縮很薄的一層間隙氣體發出強光，同時連接激光器電路被接通，激光開始工作，依次經過飛片、基板、樣品和窗口，最后用光纖接收傳輸到多通道瞬態高溫計，再由示波器記錄.彈丸上的飛片與基板碰撞后，產生的沖擊波向前傳播，依次經過基板、樣品和窗口，由于樣品的沖擊阻抗比基板和窗口的低，沖擊波可在基板與窗口之間來回反射，實現樣品的多次壓縮.液體苯為高純度光譜純，密度：0.874 g/cm3，Hugoniots：Us=1.50+1.67Up[14].用阻抗匹配法來計算實驗時樣品的沖擊壓力和沖擊溫度[15].

2 結果與討論

如圖2所示為多次沖擊壓縮1.068 mm厚的苯樣品的實驗信號，由信號可以看出，彈丸上的飛片與靶面碰撞時，被壓縮的氣體瞬間產生強光，以此來計算產生沖擊波的時間起點，沖擊波經過基板對樣品第1次壓縮，壓力為0.98 GPa，從實驗結果來看苯的透光性沒有發生變化.

此時刻沖擊波到達觀察窗口與樣品接觸的前界面，由于窗口的阻抗比樣品大，沖擊波反射對樣品進行了二次壓縮，如圖2的t1時刻，壓力升至2.27 GPa、溫度543 K，苯的透光性開始下降.圖2的t2時刻沖擊波對樣品第3次沖擊，隨著驅動力的增加，樣品的透射率下降加劇，并在隨后沖擊中繼續下降，最后趨于穩定.而引起透光性下降的原因可能是樣品發生化學分解，但從文獻報道，苯在沖擊壓縮到13 GPa時才發生化學分解，Jean Bernard Maillet等人[16]也通過分子動力學模擬指出，苯分子的分解極限在13 GPa以上,國內趙北京等人[17]在動態加載中利用激光拉曼光譜技術，觀察知要達到9.7 GPa苯的結構才開始發生變化.因此，苯在本實驗的壓力下還未達到分解的條件，而發生光的透射率下降的原因，則是由于樣品內部發生局部團簇，誘發苯結冰相變，使樣品的折射率發生了變化，且發生在納秒時間尺度內，這與靜高壓觀察到的相變時間尺度不同.

本實驗的多次沖擊加載中前3次的壓力與溫度在相圖中的位置，如圖3所示.實驗表明樣品苯在第1次沖擊的壓力和溫度點在液相-固相Ⅰ的相邊界上，2次沖擊時已跨入固相Ⅱ區，隨后的第2次、第3次的沖擊壓力、溫度數據點也都在固相Ⅱ區.由此可見，在對應時間、壓力和溫度下，液體苯在多次沖擊壓縮后發生了結晶相變.

3 結 論

在動態加載上利用光透射測量技術對液體苯的透光性進行在線觀測，實驗表明苯在第2次沖擊時，壓力達到2.27 GPa、溫度為543 K時，苯的透光性開始發生變化.由于實驗壓力下基板和窗口的透光性良好，且苯發生化學分解的壓力條件還遠遠不夠，引起樣品透光性變化的原因歸結為樣品在多次加載下發生了結晶相變，與靜高壓的實驗相圖吻合得比較好.為苯的動力學研究提供了實驗數據參考.