武漢理工大學羅國強教授課題組：使用樹脂基面密度梯度飛片實現應變率的調控

材料在不同加載應變率下會表現出不同的力學行為。對于應用于航空航天、精密切削等載荷領域的關鍵材料，獲取它們在不同應變率下的物性參數并構建材料數據庫是十分重要的。然而，常見的力學加載手段包括準靜態加載（10^-3~10^-1 s^-1）、高速液壓伺服試驗機（10^-1~10³ s^-1）和霍普金森桿（10³~10⁴ s^-1），它們難以實現對10⁴ s^-1及以上量級加載應變率的調控。

使用輕氣炮驅動面密度梯度飛片（ADGF）的準等熵加載技術在動態高壓領域具有重要應用。通過對ADGF的結構設計，可實現對加載路徑、加載應變率的調控。在動態加載實驗中，靶材加載過程的分析是基于單軸加載的。ADGF具有特別的加載機制，靶材中經過波系整合后才開始進行單軸加載，緩慢的波系整合過程不利于實驗分析。此外，獲得ADGF結構與加載應變率之間的構效關系對于指導ADGF的設計十分重要。

針對以上問題，該團隊通過使用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(microArch^® S240，精度：10 μm)制備出樹脂基ADGF。通過對面密度梯度分布和針尖數量密度進行設計，實現了對10⁴ s^-1量級加載應變率的調控，這一加載應變率范圍是現有常見加載技術難以實現的。增大針尖數量密度促進了波系整合過程，使得觀測區域內的加載應變率更加均勻。

相關研究成果以“Regulating loading strain rates under shockless quasi-isentropic compression using a resin-based areal density gradient flyer"為題發表在國際著名期刊《Journal of Materials Research and Technology》上（SCI一區，Top期刊，IF=6.4）。武漢理工大學碩士研究生吳澳杰為第一作者，武漢理工大學張睿智和張建副教授為通信作者。該工作得到了國家重點研發計劃、廣東省基礎與應用基礎研究重大專項、武漢理工大學三亞科教園和沖擊波物理與爆轟物理國家重點實驗室基金的支持。

首先展示了具有不同面密度梯度分布和針尖數量密度的樹脂基ADGF結構設計（圖1和圖2）。通過調控旋轉曲線解析函數來控制ADGF的面密度梯度分布，并通過調控針尖底面半徑來控制ADGF的針尖數量密度。使用三維輪廓儀、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和超景深顯微鏡對樹脂基ADGF進行結構表征。采用PµSL增材制造技術制備的樹脂基ADGF具有很高的打印精度，該打印精度優于之前報道的金屬基ADGF和陶瓷基ADGF。

圖1 具有不同面密度梯度分布ADGF的針尖結構模型

圖2 具有不同針尖數量密度的ADGF結構模型

隨后，團隊采用有限元模擬和輕氣炮加載實驗研究樹脂基ADGF的應變率調控性能。結果顯示，有限元模擬與輕氣炮加載實驗具有較好的一致性。ADGF面密度梯度分布對加載結果的影響如圖3所示。ADGF ⅰ的波阻抗分布指數（P）為0，這意味著在沖擊加載下，會產生最大的應變率。ADGF ⅱ-ⅳ的P值分別為1、2、3，表現為準等熵加載。隨著P值的增大，加載應變率和標準差也隨之增大，應變率標準差反映了加載應變率的均勻程度和波系整合效果。因此，增大ADGF的P值，緩沖層的厚度也需要適當增加，才能實現較理想的單軸加載效果。

圖3 ADGF面密度梯度分布對加載結果的影響：（a）面密度梯度分布對加載路徑的影響；（b）面密度梯度分布對加載應變率的影響

接著，團隊研究了針尖數量密度對加載結果的影響（如圖4所示）。圖4（a）為動態加載實驗后回收的鋁靶。有趣的是，撞擊面彈坑的形狀為正方形而不是圓形，這證實了波系整合的發生。圖4（b）描述了彈坑的形成過程，ADGF ⅲ, ⅴ, ⅵ的針尖數量密度依次增大。當ADGF ⅲ, ⅴ, ⅵ撞擊靶材時，分別在1.8，1.4和1.0 μs的時間點完成了多個球面波向一維平面波的轉變，靶材開始受到單軸加載。隨著針尖數量密度的增大，加載應變率也增大，而應變率標準差卻減小（如圖5所示）。為了制備高針尖數量密度的ADGF，提高打印精度是關鍵，這不僅有利于縮短波系整合所需時間，還能簡化靶材加載過程的分析。

圖4 靶材中平面波的形成過程：（a）被ADGF ⅲ撞擊后的鋁靶；（b）被ADGF ⅲ撞擊的鋁靶上彈坑的形成過程；（c）分別對應于被ADGF ⅲ，ⅴ和ⅵ撞擊的鋁靶內在不同時刻的壓力分布

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