[發(fā)明專利]一種透明材料沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)獲取方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711323981.3
• 申請(qǐng)日: 2017-12-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108061709B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 江浩;鐘志成;劉世元;劉佳敏;谷洪剛;張傳維;陳修國(guó)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/21
• 分類號(hào): G01N21/21
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本發(fā)明屬于材料沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，并公開(kāi)了一種透明材料沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)獲取方法。該方法包括：(a)建立了平穩(wěn)沖擊波加載下透明薄膜樣品的雙層薄膜分層模型(b)利用第一性原理，證明了P偏振光以布儒斯特角入射樣品時(shí)，反射光相位對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)的波形呈周期性震蕩特性，推導(dǎo)出了震蕩特性與沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的表達(dá)式；(c)采用泵浦探測(cè)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量待測(cè)樣品的實(shí)際震蕩周期、實(shí)際幅值、和實(shí)際震蕩偏離值；(d)將獲得的測(cè)量實(shí)際值帶入獲得的表達(dá)式中進(jìn)而獲得實(shí)際沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)。通過(guò)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了雙層薄膜模型中，使用公式直接提取透明材料沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)，該方法使用的測(cè)量光路簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，數(shù)據(jù)易于處理。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種透明材料沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)獲取方法。

背景技術(shù)

研究材料在高壓、高應(yīng)變率等極端條件下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性是材料物理領(lǐng)域的前沿課題，沖擊波加載則是在材料內(nèi)部產(chǎn)生這種極端條件的重要技術(shù)手段。當(dāng)沖擊波在材料中傳播時(shí)，對(duì)沖擊波和材料響應(yīng)特性的研究通常需要測(cè)量材料的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如沖擊波速度、波后粒子速度等。此外，沖擊波在材料中的渡越過(guò)程中引起的材料密度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化最終將導(dǎo)致材料總體和局部的光學(xué)特性發(fā)生變化。為了準(zhǔn)確描述沖擊波作用下材料響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)包含沖擊作用下材料光學(xué)特性變化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量具有十分重要的意義。

在沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通常將待測(cè)材料制作成薄膜樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)于非透明材料，通過(guò)對(duì)沖擊波加載下自由面速度的測(cè)量，然后運(yùn)用相關(guān)理論即可推導(dǎo)出沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)。而對(duì)于透明材料，由于涉及到光的薄膜干涉效應(yīng)，測(cè)量方法一般需要如下步驟：首先建立樣品薄膜的理論沖擊模型；然后使用頻域干涉儀測(cè)量探測(cè)光經(jīng)樣品反射后偏振態(tài)(幅值和相位)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程；最后根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)由樣品沖擊模型計(jì)算的理論結(jié)果進(jìn)行逆向反演，從而提取出沖擊波速度、波后粒子速度以及沖擊壓縮后樣品折射率等沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)。如2007年，美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的S.D.McGrane等人對(duì)聚碳酸酯薄膜的沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)建立了平穩(wěn)沖擊波加載下的透明樣品雙層薄膜模型，對(duì)沖擊加載過(guò)程中不同探測(cè)光(共四束探測(cè)光，分別為兩個(gè)入射角下的P偏振光和S偏振光)經(jīng)樣品反射后的偏振態(tài)的動(dòng)態(tài)改變進(jìn)行了測(cè)量，然后將測(cè)量結(jié)果與理論模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行逆向擬合反演提取出了沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)。但是該方法光路復(fù)雜，實(shí)施不易，且平臺(tái)搭建費(fèi)用昂貴。2010年，美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Armstrong等人，對(duì)金剛石壓腔中的預(yù)壓縮氬進(jìn)行了沖擊動(dòng)力學(xué)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)建立了沖擊壓縮下的樣品單層薄膜模型，通過(guò)分析探測(cè)光經(jīng)樣品反射后的相位變化的震蕩特性，使用第一性原理推導(dǎo)出了沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算公式。該方法可以通過(guò)公式直接計(jì)算出沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)，而不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合反演，數(shù)據(jù)處理容易，且光路相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。但是該方法只適用于單層薄膜樣品，而無(wú)法用于更普通的雙層薄膜模型中。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種透明材料沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)獲取方法，利用推導(dǎo)出P偏振光以布儒斯特角入射樣品時(shí)，雙層薄膜模型中反射光相位變化過(guò)程對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)φ′(t)，進(jìn)而得到了φ′(t)震蕩特性(包括震蕩周期、幅值、震蕩偏離值)與沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)(包括沖擊波速度、波后粒子速度、沖擊壓縮后樣品折射率)之間的關(guān)系式，由此解決沖擊波加載下透明材料雙層薄膜模型只能通過(guò)擬合反演提取動(dòng)力學(xué)參數(shù)，而無(wú)法使用公式直接計(jì)算沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)的技術(shù)問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種透明材料沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)獲取方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

(a)選取透明薄膜作為待測(cè)樣品，建立測(cè)試該待測(cè)樣品的泵浦探測(cè)測(cè)試系統(tǒng)，其中，所述泵浦探測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的泵浦探測(cè)光照射在置于基底上的待測(cè)樣品上產(chǎn)生平穩(wěn)沖擊波，該平穩(wěn)沖擊波在待測(cè)樣品薄膜中傳播將其劃分為未受沖擊層和沖擊壓縮層，并與待測(cè)樣品所處環(huán)境形成的環(huán)境層和基底形成的基底層構(gòu)成四層結(jié)構(gòu)，相鄰的兩層的交界處有界面，共三個(gè)界面，所述泵浦探測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的泵浦探測(cè)光為P偏振光，該探測(cè)光的入射角為布儒斯特角；