[發明專利]基于激光驅動微球的材料動態力學性能測試裝置及方法

在審

• 申請號: 202210515144.5
• 申請日: 2022-05-11
• 公開（公告）號: CN114965101A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 胡永祥;羅國虎;陳嘉宇;吳迪
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01N3/30
• 分類號: G01N3/30;G01N3/32;G01N3/06
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種基于激光驅動微球的材料動態力學性能測試裝置及方法，包括激光光路模塊、微球發射模塊、靶體、微球位置標定模塊以及測速模塊；激光光路模塊驅動微球發射模塊發射微球；微球位置標定模塊設置在微球發射模塊的下方，用于選擇微球；微球發射模塊與靶體之間設置有掩模版，微球能夠穿過掩模版撞擊靶體，掩模版還用于制備發射模塊表面均勻分散的微球陣列；測速模塊用于實時測量微球的運動速度。本發明通過微球發射模塊表面微球均勻分散的性質，配合微球位置標定模塊，有助有助于均勻分散微球，從而有助于保證單次脈沖激光僅誘導單微球撞擊靶體，從而有助于根據獨立的單微球撞擊分析準確獲得靶體材料的動態力學性能。

技術領域

本發明涉及材料動態力學性能測試領域，具體地，涉及一種基于激光驅動微球的材料動態力學性能測試裝置及方法。

背景技術

材料的塑性變形表現出明顯的應變率依賴性，動態沖擊下材料有區別準靜態加載下的力學性能，這種動態沖擊常存在于噴丸處理與冷噴涂等生產工況，以及天空碎片撞擊、子彈沖擊與沙粒侵蝕等運行工況。因此，研究高應變率下材料的力學性能是非常必要的。宏觀尺度上的高應變率力學性能測試方法，如擺錘沖擊(GB/T3808-1818)、落錘沖擊(GB/T14152-1816)和平板沖擊試驗等方法，因受限于加速能量而只允許評估宏觀材料小于10⁵s^-1應變率的力學性能，所以不適用于模擬冷噴涂等工況下更高應變率的測試需求。

由于微尺度沖擊物的質量較小，微觀尺度沖擊測試系統不受加速能量限制而可滿足測試材料大于106s-1應變率力學性能的要求，實際應用價值更大。微觀尺度沖擊測試系統主要有氣槍沖擊試驗系統(GAS-GUN SYSTEMS，L.C,Chhabildas,et al.InternationalJournal of Impact Engineering,1995.)、激光驅動飛片系統(LDF，Paisley D L.APSMeeting Abstracts,1989.)與激光驅動微粒沖擊測試系統(LIPIT，Lee J H,Loya P E,LouJ,et al.Science,2014,346(6193):1092-1096.)。氣槍沖擊試驗系統無法獨立發射單微球而不能準確的定量測試材料的動態力學性能，而激光驅動飛片系統采用的平面沖擊物較少出現在實際工況中，且平板飛片的撞擊姿態不可控。激光驅動微粒沖擊測試技術(LIPIT)利用脈沖激光誘導犧牲層產生等離子體以直接或間接方式將微粒以高速彈出，其能夠可控地進行單微球撞擊試驗，其也克服了飛片系統的撞擊物形狀限制，采用更常見且飛行姿態可控的球形微粒，能夠結合微球速度與靶體材料撞擊形貌分析而更準確評估靶體材料的動態力學性能，是一種更理想的材料動態力學性能表征方法。

激光驅動微粒沖擊測試技術(LIPIT)因主要針對單微粒的撞擊測試而對其發射模塊表面的微球分散程度有較高的要求。Lee JH等人(Lee J H,Loya P E,Lou J,etal.Science,2014,346(6193):1092-1096.)將微球與乙醇混合，滴在彈性層表面后用拭鏡紙與液滴接觸，朝單一方向拉動，以分散微球。這種擦拭分散方法雖能得到分散程度好的微球層，但會導致微球分散密度在不同區域分布不均勻，且擦拭過程可能使微球嵌入彈性層而導致微球彈出時有較大的能量損失。Veysset D等人(Veysset D,Sun Y,Kooi S E,etal.International journal of impact engineering,2020,137:103465.)在LIPIT的發射臺和靶體之間插入一個大于微球直徑3倍的針孔以允許粒子通過，同時阻止燒蝕產生的碎片；該技術雖有阻隔燒蝕碎片的作用，但因孔徑較大且非陣列而無法用于制備分散微球陣列。