【摘要】：在材料動態(tài)物性實驗研究中,需要在樣品后加貼透明窗口作為壓砧,并維持一段時間的高溫高壓狀態(tài),以便能進行界面粒子速度和光輻射亮度等物理量的時間分別測量,從而獲得被測樣品物性變化引起的波結(jié)構(gòu)演化信息。在這類實驗中,窗口材料也將因受到?jīng)_擊波壓縮作用而發(fā)生彈塑性轉(zhuǎn)變和沖擊結(jié)構(gòu)相變甚至沖擊熔化,包括折射率和光學吸收率等光學性質(zhì)都會發(fā)生變化。因此,窗口材料本身的動態(tài)性質(zhì)研究在沖擊波物理研究領域是一項十分基礎的工作,有著極其重要的現(xiàn)實意義,因為它直接關系到實驗信號的正確解讀。釓鎵石榴石(GGG)單晶初始密度為7.1 g/cm3,被認為是一種潛在的高阻抗窗口材料,吸引了許多科研人員的研究興趣,開展了比較系統(tǒng)的研究。迄今為止,GGG的沖擊彈-塑性轉(zhuǎn)變及其彈性先驅(qū)波波幅隨沖擊應力的變化、Hugoniot狀態(tài)方程、沖擊相變、單波區(qū)的光學折射率、沖擊發(fā)光沖擊溫升和沖擊熔化以及高壓電阻率變化都有相關實驗工作和部分理論工作的報道。GGG的沖擊相變起始壓力為76GPa左右,在200 GPa附近發(fā)生沖擊熔化。而靜高壓實驗報道則認為,GGG在88 GPa附近發(fā)生了從立方石榴石相到鈣鈦礦立方相的結(jié)構(gòu)相變。然而,GGG單晶在沖擊高壓下的光學透過率(沖擊透明性)以及相變動力學過程對其有何影響尚未見文獻報道。本文首先采用平板撞擊法進行一維應變沖擊加載,結(jié)合Doppler頻移激光干涉位移測速系統(tǒng)(DPS系統(tǒng))對樣品的界面和自由面速度隨時間變化的歷史進行了測量,測量波長為1550 nm,壓力范圍覆蓋6-201 GPa。由此分析得到GGG樣品([111]晶向)在包含雙波和三波結(jié)構(gòu)區(qū)的折射率隨沖擊壓力的變化關系。結(jié)果表明,在發(fā)生沖擊相變的壓力之前,GGG折射率變化不大;而高壓相的折射率隨壓力變化的速率則明顯增加;在相變壓力處連續(xù),并未發(fā)生突變。本文第二部分工作采用二級輕氣炮動高壓加載設備和多通道輻射高溫計系統(tǒng),結(jié)合高溫靶設計產(chǎn)生的原位光源,對GGG樣品的沖擊發(fā)光和透射譜進行了同時測量,測量波長范圍為400-800 nm,實驗壓力范圍覆蓋47-211 GPa。獲得了GGG消光(吸收)系數(shù)α隨波長和壓力變化的定量關系。結(jié)果表明,不同波長的α系數(shù)整體隨著沖擊壓力的增加而增加,出現(xiàn)透明-不透明轉(zhuǎn)變,并在75 GPa處達到峰值;之后在75-100 GPa壓力范圍,α系數(shù)隨壓力的增加而下降,發(fā)生不透明-透明轉(zhuǎn)變;然后在更高壓力下再次出現(xiàn)快速增加。α系數(shù)下降的起始壓力與相變壓力一致,說明GGG沖擊透明性恢復很可能與其相變動力學過程產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)變化相關。非彈性沖擊波壓縮會導致晶體內(nèi)部出現(xiàn)包括剪切帶在內(nèi)的各種缺陷分布,使其光學透明性發(fā)生變化;而發(fā)生沖擊相變時,子相則首先在這類缺陷位置處成核和增長,并對缺陷形成消耗,最終導致缺陷濃度的減小。而GGG折射率在相變壓力附近變化不明顯,說明子相和母相的折射率是匹配的,因而新相的出現(xiàn)本身不會導致GGG透明性的變化。因此,新相生成導致的缺陷濃度降低是GGG沖擊透明性恢復的根本原因。本文工作創(chuàng)新點包括:1.建立和發(fā)展了沖擊發(fā)光和消光同時測量技術;2.測得了包括彈一塑性轉(zhuǎn)變雙波結(jié)構(gòu)區(qū)和相變?nèi)ńY(jié)構(gòu)區(qū)的GGG單晶折射率n隨沖擊壓力變化的定量關系,發(fā)現(xiàn)n在相變壓力處是連續(xù)的;3.測得了GGG單晶消光(吸收)系數(shù)隨波長和沖擊壓力變化的定量關系,發(fā)現(xiàn)GGG在相變壓力附近出現(xiàn)透明性恢復,并給出了合理解釋。
【圖文】：

圖１．２三種透明單晶窗口的動態(tài)掃描圖像，（ａ）ＬｉＦ邋（ｂ）Ａｌ２0３邋（ｅ）ＬｉＴａ0３（取自文獻［３４］）逡逑

邐到達ｆｌ丨丨丨端Ｉｆａ逡逑圖１．２三種透明單晶窗口的動態(tài)掃描圖像，（ａ）ＬｉＦ邋（ｂ）Ａｌ２0３邋（ｅ）ＬｉＴａ0３（取自文獻［３４］）逡逑５邋邐？邐？邐逡逑４邋－邐Ｉ逡逑Ｖ－逡逑０邋２－邐／逡逑１；邋，Ｌ邐．，，」，逡逑０邐０．２邐０．４邐０．６邐４邐５邐６邐７邐８逡逑Ｘ，＾ｘｍ逡逑圖１．３常溫常壓下ＧＧＧ單晶在０．２５－７邋波長范圍內(nèi)的
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O734

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本文編號：2594962