第1章 绪论 1
1.1 冲击波物理和物态方程研究的意义 1
1.2 流体近似模型与冲击波压缩的守恒方程 5
1.2.1 流体近似模型 5
1.2.2 平面冲击波压缩的守恒方程 6
1.2.3 冲击绝热线测量在物态方程研究中的意义 8
1.3 冲击波物理的实验研究技术 9
1.3.1 实验加载技术 10
1.3.2 实验测量技术 13
1.4 小扰动传播的特征线理论基础 14
1.4.1 小扰动传播的守恒方程 14
1.4.2 小扰动传播的特征线方程 16
1.5 拉格朗日坐标及守恒方程 20
1.5.1 拉格朗日坐标与拉格朗日坐标系 20
1.5.2 拉格朗日坐标系中的守恒方程 23
1.5.3 拉格朗日坐标系中的特征线方程 25
第2章 冲击绝热线的实验测量 27
2.1 冲击绝热线的基本走向 27
2.1.1 冲击波速度与粒子速度关系的五种基本类型 27
2.1.2 极端高压下金属材料的冲击绝热线 31
2.1.3 不同压力区D-u冲击绝热线的基本特点 32
2.2 冲击绝热线的基本性质 34
2.2.1 冲击绝热线是从同一始态出发的经平面冲击压缩达到的所有终态的轨迹 34
2.2.2 冲击波压缩的总功平均分配给比内能和比动能 35
2.2.3 冲击压缩的熵增 35
2.2.4 从同一始态出发的等熵线与主Hugoniot线在始点二阶相切 36
2.2.5 沿着主Hugoniot的体波声速 38
2.2.6 冲击波速度与波前声速及波后声速的关系 39
2.2.7 等温线、等熵线和冲击绝热线的相对位置关系 40
2.3 冲击绝热线的理论预估 42
2.3.1 纯净密实材料 42
2.3.2 理想混合物 45
2.4 疏松材料的冲击绝热线 48
2.4.1 极低密度疏松材料D-u冲击绝热线的一般特征 49
2.4.2 极低密度疏松材料的p-ρ冲击绝热线的一般特征 51
2.4.3 依据密实材料的冲击绝热线估算疏松材料的冲击绝热线 52
2.4.4 冲击压缩下疏松材料的空穴塌缩模型 55
2.5 冲击绝热线的实验测量方法 57
2.5.1 冲击绝热线的绝对法测量及标准材料冲击绝热线的建立 57
2.5.2 冲击绝热线的对比法测量 59
2.5.3 第二类对比法实验装置 64
2.5.4 对比法实验测量中隐含的基本假定 66
2.5.5 冲击波通过两种不同物质之间的界面时反射波的性质 67
2.5.6 疏松材料冲击绝热线的对比法实验测量 68
2.6 冲击波在自由面的反射 69
2.6.1 与冲击绝热线相交的等熵线 70
2.6.2 卸载到零压时的比容与声速 72
2.6.3 自由面速度 73
2.6.4 沿着等熵线的温度 73
2.7 实验样品设计的一般原理 74
2.7.1 边侧稀疏波的影响 75
2.7.2 追赶稀疏波的影响 76
2.8 利用冲击绝热压缩数据建立Gruneisen物态方程 78
2.8.1 固体冷能的基本形式 80
2.8.2 利用静高压实验数据构建Gruneisen物态方程 83
2.8.3 利用冲击绝热数据和静高压数据构建Gruneisen物态方程 85
2.8.4 关于Q、q方法 88
2.9 等熵绝热线的一种解析表达式 89
2.9.1 以冲击绝热线为参考的等熵线的解析式 90
2.9.2 与主Hugoniot有公共始点的等熵压缩线 93
第3章 冲击波温度测量 95
3.1 冲击波温度测量的意义 95
3.2 透明材料的冲击波温度测量 96
3.2.1 辐射法测温的原理和基本假定 96
3.2.2 透明材料的辐射法冲击波温度测量 97
3.3 金属材料的冲击波温度测量 101
3.3.1 金属冲击波温度测量的主要困难 101
3.3.2 多通道瞬态辐射高温计及其标定 103
3.3.3 “样品/窗口”界面辐射能的确定 105
3.3.4 光纤高温计 106
3.3.5 “样品/窗口”界面温度的确定 107
3.4 理想界面模型 109
3.4.1 理想界面模型热传导方程的解 110
3.4.2 理想界面模型下冲击波温度测量的样品设计 112
3.4.3 卸载温度和冲击波温度的导出 112
3.4.4 冲击压缩下金属热导率的实验测量 116
3.5 冲击波温度的理论预估 117
3.5.1 单相区的冲击波温度 118
3.5.2 过热卸载模型及固-液混合相区的状态 120
3.5.3 利用能量原理判定初始冲击状态所在的相区 124
3.6 非理想界面模型 125
3.6.1 冲击波与“样品/窗口”间隙界面的相互作用 126
3.6.2 四层介质热传导模型 130
3.6.3 “基板/镀膜样品”间隙对冲击波温度测量的影响 135
3.6.4 冲击波温度测量实验的基板和镀膜样品的设计原则 140
3.6.5 三层介质热传导模型 141
3.6.6 窗口材料高压热导率的实验测量 143
第4章 金属的冲击熔化 148
4.1 冲击熔化相变 148
4.2 高压熔化的经验规律 150
4.2.1 林德曼熔化定律 150
4.2.2 两种常用的经验熔化方程 151
4.2.3 由Clausius-Clapeyron方程的多项式展开得到的经验熔化规律 152
4.2.4 利用静高压数据确定p-T相线的走向 154
4.3 高压熔化温度的理论预估 155
4.4 含固-液相变的热传导方程的解 156
4.4.1 金属样品因界面热传导发生再凝固相变 157
4.4.2 窗口材料因界面热传导而发生熔化相变 164
4.4.3 界面热传导引发的金属样品再凝固相变和窗口材料的熔化相变同时发生 171
4.4.4 金属材料辐射法冲击波温度测量的基本结果 175
4.5 金属材料冲击熔化温度的实验测量 176
4.5.1 基于声速测量数据判定金属冲击熔化压力区间的方法 177
4.5.2 直接从界面温度获取金属材料的高压熔化温度的TDA模型及其应用 180
4.5.3 固体高压熔化线的基本走向 185
第5章 金属材料在极端应力-应变率加载下的声速 188
5.1 单轴应变加载下的应力-应变状态与声速 188
5.2 极端加载状态下声速测量的基本原理 191
5.2.1 光分析法 192
5.2.2 透明窗口的光分析法 198
5.3 同时测量沿着Hugoniot的声速和粒子速度的方法 203
5.3.1 从粒子速度剖面获得声速的基本原理 203
5.3.2 实验方法的改进 205
5.3.3 纵波在“样品/窗口”界面上反射的特征线近似解 208
5.3.4 卸载路径的计算方法 211
5.3.5 窗口材料中的应力与粒子速度的近似关系 212
5.4 冲击加载下LY12铝合金声速的实验测量 213
5.4.1 LY12铝合金反向碰撞法实验的粒子速度剖面及准弹性 213
5.4.2 LY12铝合金沿着冲击绝热线和卸载路径的声速 215
5.4.3 LY12铝合金的卸载路径 217
5.5 利用多台阶样品测量拉氏声速的实验技术 219
第6章 极端应力-应变率加载下金属材料的强度与本构关系 222
6.1 单轴应变加载下固体材料强度的表征 222
6.1.1 单轴应变加载下的主轴应力、偏应力及平均应力 222
6.1.2 单轴应变加载下固体材料的剪切模量 224
6.1.3 单轴应变加载下的应变及应变率 225
6.2 单轴应变加载下的本构关系 227
6.2.1 平面冲击加载下的弹-塑性屈服 228
6.2.2 极端应力-应变率加载下本构方程的一般形式 229
6.2.3 双屈服面法 231
6.2.4 硬化的影响 233
6.3 平面冲击加载下屈服强度的实验测量 235
6.3.1 单轴应变加载下的SCG本构关系简介 235
6.3.2 Hugoniot状态下屈服强度的实验测量 236
6.3.3 实验数据处理方法 241
6.3.4 屈服面上的临界应力和预冲击压缩下的应力状态 245
6.3.5 冲击加载下LY12铝合金的屈服强度实验测量 245
6.3.6 冲击加载-再加载实验技术的改进 246
6.4 平面冲击压缩下剪切模量的实验测量 248
6.4.1 LY12铝合金沿着冲击绝热线的剪切模量的实验测量 249
6.4.2 对Steinberg本构关系中的剪切模量方程的讨论及修正 250
6.4.3 LY12铝合金沿着准弹性卸载路径的剪切模量及其变化规律 251
6.4.4 沿着冲击绝热线和准弹性卸载路径的剪切模量方程的近似表达式 254
6.5 卸载波剖面的数值模拟和预测 255
6.6 单轴应变加载下的泊松比 258
6.6.1 线弹性变形下的泊松比 258
6.6.2 单轴应变加载下的泊松比与声速 259
6.6.3 Hugoniot弹性极限下的泊松比及屈服强度 260
6.6.4 LY 12铝合金沿着Hugoniot的泊松比的实验测量 261
6.7 层裂初步 263
6.7.1 自由面速度剖面的一般特征 264
6.7.2 两个相向运动稀疏波交会区的应力分布 265
6.7.3 发生层裂时自由面速度的回跳与层裂强度的近似计算 267
6.7.4 层裂强度与负压区的卸载路径 270
6.7.5 层裂片的近似厚度 272
第7章 极端应变率斜波加载技术及相变动力学初步 273
7.1 磁驱动斜波加载技术 275
7.2 激光烧蚀等离子体活塞驱动斜波加载技术 277
7.3 利用阻抗梯度飞片的斜波加载技术 281
7.3.1 叠层型阻抗梯度飞片技术 282
7.3.2 准连续型阻抗梯度飞片技术 283
7.3.3 利用阻抗梯度飞片产生路径可控的复杂应力波剖面 285
7.4 三级炮超高速驱动技术 286
7.4.1 非会聚型三级炮超高速驱动技术 287
7.4.2 冲击波物理与爆轰物理重点实验室的三级炮超高速驱动技术 289
7.4.3 太帕超高压区钽和铂冲击绝热线的精密测量 291
7.4.4 会聚型三级炮超高速驱动技术 292
7.4.5 三级炮超高速驱动的计算机模拟和数值计算 295
7.5 准连续型阻抗梯度飞片的基本结构与实验设计 297
7.5.1 功能梯度材料的声阻抗 297
7.5.2 多台阶样品斜波加载的实验设计 300
7.5.3 一种准连续型阻抗梯度飞片及其产生的加载波形 303
7.6 原位粒子速度历史计算的反向积分原理 305
7.6.1 反向积分法的基本原理 305
7.6.2 斜波加载下比容与应力的近似关系 307
7.6.3 弹-塑性材料的反向积分法 310
7.7 冲击波引发的多形相变的实验研究及相变动力学初步 311
7.7.1 冲击相变的双波结构与平衡相变模型 311
7.7.2 两步相变动力学模型 314
7.7.3 混合相区的热力学近似及双波结构的描述 316
7.7.4 低压相亚稳态松弛的近似描述 318
7.7.5 Barker和Asay关于两步相变模型实验结果 319
7.7.6 发生固-固相变时冲击绝热线的对比法测量 322
7.8 δ-钚合金在低压冲击压缩下的渐变型冲击相变 324
7.8.1 δ-钚合金的低压冲击相变实验及分析 324
7.8.2 δ-钚合金的渐变型相变动力学模型 327
7.9 从冲击绝热线构建两相物态方程的一种方法 328
7.9.1 两相物态方程的一种基本形式 328
7.9.2 剪应力的贡献 329
7.9.3 内能方程的解耦 329
7.9.4 沿着冲击绝热线的温度 331
7.9.5 两相物态方程的确定 332
7.10 关于金属的再凝固相变 335
7.11 聚心球面冲击压缩的守恒方程及其物理意义 338
7.11.1 聚心球面冲击波的守恒方程 339
7.11.2 聚心球面冲击压缩波后状态的基本图像及其含义 343
7.11.3 关于球面冲击压缩的对比法实验 346
7.11.4 对平均冲击波速度的近似修正 351
第8章 激光速度和位移干涉测量技术基础 354
8.1 声学多普勒效应 355
8.1.1 声源相对于介质静止而探测器相对于介质运动时的多普勒效应 355
8.1.2 声源相对于介质运动但探测器相对于介质静止时的多普勒效应 356
8.1.3 声源和探测器相对于介质静止但被观察物体相对于介质运动时的多普勒效应 357
8.2 光学多普勒效应 357
8.3 拍频干涉原理 360
8.4 传统的分离式激光速度干涉测量系统（VISAR） 362
8.4.1 VISAR的基本原理 362
8.4.2 Barker型VISAR的基本结构及设计原理分析 366
8.4.3 etalon色散及其对VISAR测量的表观界面速度的修正 371
8.5 窗口材料折射率引入的附加多普勒频移 373
8.5.1 斜波加载下窗口材料的折射率与表观界面速度的关系 374
8.5.2 低压下窗口材料的折射率及VISAR速度测量的修正因子 377
8.5.3 折射率与密度的经验关系及强冲击压缩下单晶LiF窗口折射率的实验测量 378
8.5.4 Rigg的LiF窗口折射率实验测量数据及数据拟合方法 382
8.5.5 复杂应力波作用下窗口材料的折射率及冲击温升的影响 385
8.6 分数条纹 388
8.7 全光纤激光速度干涉测量系统 390
8.8 全光纤激光位移干涉测量系统 393
8.8.1 全光纤激光位移干涉系统的基本原理与光路结构 393
8.8.2 光波-微波混频速度计的基本原理 397
参考文献 401