磁驱动等熵压缩和高速飞片实验技术是近六、七年以来国外发展起来的一种新型材料动力学实验技术,可以实现对材料的快速(0.1～1μs)、高压力(10~2～10~3GPa)平滑加载(“等熵压缩”),并获得超高速度(10～40km/s)的宏观完整飞片,大大扩展了冲击动力学的实验范围,应用于等熵压缩和冲击压缩下材料动力学性能研究,建立了高能量密度动力学全新的研究手段。发展该技术的重要意义,在于确定材料偏离Hugoniot状态特性,促进超高压和材料完全物态方程研究,对高能量密度物理和核武器物理研究具有重要的现实意义和应用前景。这种新实验手段的核心关键技术是磁压加载(或磁驱动)技术,即是本论文选题的主要目的。本文研究磁驱动加载技术的原理、途径和创新设计技术,通过设计建立一套50GPa加载能力实验装置以及相关的材料等熵压缩和驱动高速飞片实验研究,验证并基本掌握这一先进实验技术,为以后的发展和应用奠定坚实基础。论文的研究内容是围绕50GPa范围磁驱动等熵压缩和飞片装置的设计和实验,解决相关的设计原理、关键技术、测试技术、高电压绝缘技术和部分理论问题,为研究材料等熵压缩和冲击压缩特性、完全物态方程和动力学性能提供一个实验平台,为下一阶段更高压力范围(50GPa～100GPa)磁驱动等熵压缩和高速飞片实验技术的研制奠定技术基础和经验积累。论文的研究内容主要分为以下六章:(1)国内外相关文献资料调研和分析;(2)磁驱动等熵压缩和飞片设计基础理论;(3)磁驱动等熵压缩和飞片一维磁流体数值计算;(4)磁驱动等熵压缩和飞片实验装置的设计和建立;(5)放电电流波形调节技术分析;(6)磁驱动等熵压缩和飞片原理性实验研究。论文的主要研究结果有:1.磁驱动加载技术及装置(1)利用OrCAD/Pspice电路模拟分析软件,对技术指标为放电电流上升时间500ns左右、峰值1.5MA左右的磁驱动实验装置进行了总体设计,确定了该装置放电回路的参数值以及各关键部件的技术指标。设计结果表明,装置的总储能为30—50kJ,放电回路的总电感不能大于18.5nH,充电电压为65—80kV;对于使用单闭合短路开关的情况,装置的工作方式为四台电容器并联使用;装置的加载压力达近50GPa,驱动铝片的速度可达7km/s左右。(2)设计研制了一种多点导通爆炸逻辑网络闭合开关,该开关电感低(约4.5nH),同步性55ns左右,能够承受高电压大电流,为平板状,易于与平行板传输线连接。该开关能满足装置设计对开关部分电感的要求,这是目前国内其它类型开关难以达到的。提出了一个多点导通爆炸逻辑网络闭合开关的简化物理模型,利用ANSYS电磁场分析功能,基于能量关系,确定了开关电感与放电通道数的量化关系,给出了一种更为优化的设计思路。(3)设计和建立了以单台电容器储能的磁驱动实验装置CQ-0.6和以四台电容器并联储能的磁驱动实验装置CQ-1.5。CQ-0.6装置采用单点雷管爆炸闭合开关,其放电电流峰值为0.65MA左右、上升时间400～450ns,利用该装置解决了高电压下装置的绝缘安全和放电电流的测试问题,该装置可用作速度不大于4km/s的磁驱动飞片或加载压力10GPa以内的材料等熵压缩实验研究。CQ-1.5装置采用四点导通爆炸逻辑网络闭合开关,其放电电流峰值为1.5MA左右、上升时间500ns左右,该装置主要用于速度7km/s以内的磁驱动飞片及加载压力50GPa以内的材料等熵压缩实验研究。2.磁驱动等熵压缩和飞片实验(4)在CQ-0.6和CQ-1.5实验装置上进行了磁驱动等熵压缩和飞片的原理性实验验证研究。CQ-1.5装置上的等熵压缩实验结果表明,不同厚度样品的自由面速度曲线的上升陡度存在差异,厚样品的自由面速度曲线上升较陡,薄样品的自由面速度曲线上升较缓,这符合压缩波在紫铜样品中的传播特性;35GPa压力范围的等熵压缩实验结果表明,实验等熵压缩线与理论等熵压缩线、冲击H(u|¨)goniot线相一致,且不同加载压力下多发实验结果具有很好的重复性,与理论等熵压缩线和冲击H(u|¨)goniot线的误差小于3%。(5)CQ-0.6和CQ-1.5装置上的磁驱动飞片实验结果表明,飞片速度历史很好地再现了磁压加载等熵驱动飞片的过程,获得了速度6.26km/s以上的宏观金属飞片。(6)实验结果表明,CQ-0.6和CQ-1.5两套装置均可用于磁驱动等熵压缩和发射高速飞片实验研究。3.有关理论工作(7)基于Gr(u|¨)neisen形式状态方程、冲击波速度U_S和波后粒子速度u_p的线性关系,以及SESAME状态方程数据库,用解析理论计算得到了150GPa内铜和铝的等熵压缩线、Lagrange声速和温升。利用多次冲击压缩逼近单次等熵压缩过程以及冲击压缩温度的计算公式方法,近似计算得到了平滑加载准等熵压缩样品的温度,在此基础上讨论了样品准等熵压缩中熵增的问题。该研究结果为准等熵压缩实验等熵程度的确定以及理想加载压力波形的估计提供了依据。(8)讨论并提出了样品的设计准则。提出了一个能近似计算磁驱动飞片速度的物理模型,结果表明,在无冲击形成和飞片内能累计不高的情况下,该模型能有效预估飞片的速度。(9)基于拉格朗日坐标系,利用磁流体力学方程组、电阻率方程、SESAME状态方程数据库和磁场扩散理论,对磁驱动等熵压缩和铝飞片进行了一维磁流体动力学数值计算,引用文献的实验和计算结果验证了本程序的可行性。利用该程序,计算获得了不同时刻铝飞片的密度、温度的剖面分布,得到了磁场扩散速率随加载电流密度的变化关系。得到了等熵压缩加载下铜样品密度、压力和粒子速度的剖面分布和随时间的变化关系结果,确定了样品内形成冲击的阈值条件。这些结果有助于我们认识磁驱动等熵压缩和飞片过程中样品和飞片的特性,为样品和飞片的设计提供依据。本文程序选择的电阻率方程存在适用范围,只考虑到汽化点为止,对于汽化形成等离子体后续过程不适用,因此为更全面和精确认识飞片的特性,需选用更为普适的电阻率方程。(10)实验装置放电电流波形调节具有重要意义,合适的放电电流波形,不仅可以延缓冲击波在样品中的形成即增加样品的厚度,进而提高实验的测试精度,而且可以提高等熵压缩压力幅值和驱动飞片的速度。本文首先从理论上对等熵压缩实验需要的理想加载波形进行了估计,结果表明,理想加载波形具有如此特点:波形的初始阶段(前期)变化缓慢,即上升率较小,中间部分呈向下凸的趋势,后期阶段变化较快,即上升率较大。然后利用OrCAD/PSpice电路模拟分析软件,从理论上分析了小型脉冲功率实验装置放电电流波形调节模式,借助简单的流体动力学编码,简单比较了各种模式的调节效果。结果表明,可控时序放电和双峰化电容器相结合的效果最佳。本论文选题新颖,相关研究工作属国内首创,创新性结果主要体现于:(1)设计研制了上升时间500ns左右、峰值电流约1.5MA的磁驱动加载实验装置CQ-1.5,并用电路分析软件对实现电流波形调节的重要问题进行了较好探讨。(2)设计研制了多点导通爆炸逻辑网络闭合开关,具有甚低电感、超高电荷量的特点;提出了分析该开关电磁学特性的物理模型,得到了定量分析结论。(3)基于能量守恒关系,提出了一个磁驱动飞片速度计算模型,在大范围电流参数下与实验结果较好符合。(4)利用CQ-1.5装置,研究改进实验技术,得到了很好的实验结果:铜样品35GPa以下的实验等熵压缩线与理论一致,误差小于3%;驱动铝飞片速度已超过6km/s。