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脆性介质的动态损伤与破坏是多学科相互交叉的基础性问题,在工程应用中也有着重要的应用背景。对于冲击波加载下脆性介质的损伤与破坏,其影响因素很多,包括载荷大小、应变率以及样品自身的物理力学特性等等,这些因素使得问题的研究变得复杂与困难。与静态加载相比,冲击波作用下脆性介质的损伤与破坏实验研究的手段相对单一,并且关注的主要是损伤破坏过程中介质的力学参量的变化,例如应力、应变、声阻抗等等。有鉴于此,本论文拟在传统的损伤破坏实验研究的基础上,结合动高压凝聚态介质电阻率测量方法,尝试研究脆性介质损伤破坏过程中的电学参量的变化。 论文以K9玻璃作为典型的脆性绝缘介质,在一级轻气炮上开展了一维应变冲击波加载实验,试图在以往力学测量的基础上引入电学测量,从一个新的物理角度来探讨材料的损伤破坏问题,探索绝缘脆性介质中的损伤破坏与电阻率下降的对应关系。论文的主要研究结果和创新点如下: (1)对Weir等人的对称差分电路方法进行了一系列改进,包括(a)增加样品和飞片的厚度;(b)增加识别冲击波传播的时标信号;(c)提高测量电路的电压至1500V;(d)增加零前检查系统。改进后的测量电路和测量方法,更有利于观测脆性介质在低冲击波加载应力下,电阻率随时间演化的过程和对应关系,为测量K9玻璃在Hugoniot弹性极限应力范围内,电阻率的变化行为提供了实验手段。 (2)得到了K9玻璃Hugoniot弹性极限范围内电阻率的量化数据以及电阻率随冲击波加载应力变化的规律。实验结果表明,当冲击波加载应力低于1.0GPa时,K9玻璃可视为绝缘体,在2.7GPa左右,K9玻璃电阻率开始有较明显的降低,电阻率的数值在103Ωm量级,6.0GPa~7.7GPa的冲击波加载应力时电阻率在102Ωm量级。以往的文献报道认为,绝缘材料只有在很高的冲击波加载应力下(远远高于材料的Hugoniot弹性极限),由于冲击波压缩效应,介质的电阻率才会有较明显的下降,本论文的实验结果对材料冲击波加载下电阻率下降的物理现象提供了新的认识。 (3)通过设计一系列实验,进行系统分析,确定了K9玻璃电阻率下降的物理因素。首先,采用电容器放电方法,确认了在Hugoniot弹性极限应力范围内,冲击波压缩效应不会对K9玻璃的电阻率下降造成影响。其次,采用多点激光位移干涉DPS测量技术,实时监测K9玻璃的透明度变化,与电阻率测量一起共同表征了损伤破坏与电阻率下降之间的对应关系,建立了裂纹均匀扩展模型,估算出动态裂纹扩展的速度,与胡昌明报道的K9玻璃中的动态裂纹扩展,以及Xia(夏开文)等人提出的超剪切裂纹的扩展速度相当,从而确认了电极孔周围裂纹扩展对K9玻璃电阻率下降的影响。第三,对K9玻璃电阻率实时测量过程中的电压信号波形进行了细致解读,指出当K9玻璃样品前界面传入的破坏波到达电极顶端时会使样品的电阻率进一步降低,在测试电压信号中出现一个特征拐点。该拐点的确认,不仅说明了破坏波对电阻率下降的影响,而且由此提出了一种观测破坏波的新方法。 (4)结合脆性介质断裂过程中的带电粒子释放现象及压缩原子模型、化学键断裂模型和Positive Hole Pair(PHP)模型,提出K9玻璃中新形成的动态裂纹是导电的,由此分析了K9玻璃中动态裂纹导电的物理机制和主要特征,较好地解释了冲击波加载下K9玻璃电阻率下降的变化行为和实验结果。并且,将冲击波作用下电介质中裂纹导电的物理分析应用于功能材料的力电耦合的电击穿问题,讨论了冲击波作用下功能材料的电阻率下降行为和物理特征。