蓝宝石在冲击载荷下的力-热响应行为研究进展_贺文.pdf
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1、262023 年第 3 期(总第 167 期)蓝宝石在冲击载荷下的力-热响应行为研究进展贺文1,2,战金辉2,孙怀宇1,刘晓星2*(1.沈阳化工大学化学工程学院,辽宁沈阳,110142;2.中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京,100190)摘 要:蓝宝石具有高透明度和稳定性的特征,是适用于制造化工设备中便于实时观察的透明窗口的材料。研究人员利用冲击波实验和模拟来了解蓝宝石材料的特性和稳定性,为其在化工设备中的应用提供指导。本文回顾了蓝宝石冲击实验和各种模拟研究进展,强调了蓝宝石的消光、发光与温升和内部损伤之间的相关性。未来的研究可以探索多尺度和多物理耦合研究,以揭示蓝宝石
2、内部损伤的萌生和扩展机制。关键词:蓝宝石;窗口材料;冲击载荷;结构损伤中图分类号:TL81 文献标志码:A 文章编号:1008-3103(2023)03-0026-04Research Progress on the Force-thermal Response Behavior of Sapphire under Shock LoadHeWen1,2,ZhanJin-hui2,SunHuai-yu1,LiuXiao-xing2*(1.SchoolofChemicalEngineering,ShenyangUniversityofChemicalTechnology,ShenyangLiaon
3、ing,110142,China;2.StateKeyLaboratoryofMultiphaseComplexSystems,InstituteofProcessEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)Abstract:Sapphirehasthecharacteristicsofhightransparencyandstability,andissuitableastransparentwindowmaterialsforreal-timeobservationinchemicalequipment.Theresea
4、rchersusedshockwaveexperimentsandsimulationstounderstandthespecialpropertiesandstabilityofthesapphirematerial,whichcouldprovideguidanceforitsapplicationinchemicalequipment.Thispaperreviewsthecurrentprogressofsapphireshockexperimentsandvarioussimulationstudies,emphasizingthecorrelationbetweentheextin
5、ctionluminescenceofsapphireandthetemperatureriseandinternaldamage.Futurestudiescanexploremulti-scaleandmulti-physicscouplingstudiestorevealthemechanismofdamagegenerationandpropagationinsidesapphire.Keywords:sapphire;windowmaterial;shockload;structuraldamage基金项目:国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金资助(U1630105)。
6、作者简介:贺文(1997),男,硕士,就读于沈阳化工大学化学工程专业,研究方向为蓝宝石的力学性能;通讯作者:刘晓星(1978),男,中国科学院过程工程研究所研究员,博士生导师,研究方向为脆性材料断裂力学。0 引言蓝宝石是一种被广泛应用于各个领域的无机材料,其硬度仅次于金刚石,具有优异的机械、光学、热学和电学性能,在光学元件1、衬底材料2、激光基质材料3、传感器4、光学窗口5方面有着广泛的应用。由于其高透明度和耐高温、耐腐蚀性能,蓝宝石材料可被用于制造高温高压下的催化反应器和裂解炉等设备中的透视窗口,以观测反应物的转化情况和催化剂的状态。此外,蓝宝石透视窗口还可以用于实现对高压气体、高温液体和酸
7、碱等强腐蚀性介质的实时监测6。窗口材料的透明度和稳定性对于化工生产中测量数据的可靠性至关重要,因此,通过冲击波实验和模拟来了解蓝宝石材料的性能和稳定性已成为常见的研究手段。这些实验和模拟提供了有关材料受力响应和热响应的信息,为蓝宝石材料在化工设备中的应用提供了指导。本文将综述冲击载荷下蓝宝石损伤的DOI:10.14127/ki.jiangxihuagong.2023.03.005272023 年 6 月蓝宝石在冲击载荷下的力-热响应行为研究进展实验及模拟研究进展。1 实验研究进展蓝宝石作为一种脆性材料,其内部塑性损伤尺度较小,这导致其在受到机械应力等情况下容易发生断裂,这些断裂往往由其内部不可
8、逆的塑性损伤发展而来。由于蓝宝石属于六方晶系晶体,其主要的塑性表现形式为滑移和孪晶,滑移是指晶体中的位错在晶格面和晶格方向上移动,从而引起晶体的塑性变形;孪晶则是指晶体中出现了一些相互镜像的晶体结构,从而导致晶体发生可逆性变形。同时蓝宝石又是一种典型的各向异性材料,不同晶向的蓝宝石材料有着不同的理化性质。Dobrovinskaya 等7总结了蓝宝石主要滑移系统及其滑移面和滑移方向,如表 1 所示。表 1 蓝宝石的主要滑移系统滑移系统类型滑移面滑移方向等效系统数量基底面滑移 1C(0001)3基底面滑移 2C(0001)3棱柱面滑移 1A(12-10)3棱柱面滑移 2M(101-0)3棱柱面倾斜
9、滑移A(12-10)6菱形面滑移R(101-1)3操秀霞等8采用化爆加载以驱动平板飞片分别冲击了 M 切、R 切蓝宝石单晶材料。实验数据则由时间分辨的高温计技术和 DopplerProbeSystem(DPS)系统测得,并通过计算获得了 M 切、R 切蓝宝石材料在冲击载荷下的光谱辐亮度历史和粒子速度波剖面。分析数据发现,随着冲击波在蓝宝石材料内部中的传播,光辐射也开始增长,且随着冲击波在蓝宝石中不断地传播而逐渐增长;在不同压强下,光辐射增长斜率与压强大小呈明显正相关性;特别地,由不同压力下R 切蓝宝石温度与光辐射对比,可以观察到蓝宝石材料在冲击加载下可能存在时间弛豫的失效破坏现象,其弛豫所需时
10、间与冲击压力呈负相关关系,且 R 切晶向下蓝宝石所需的时间明显比 M 切更长。Fat Yanov 等9研究了 C 切、A 切和 R 切蓝宝石平面冲击实验中的光传输特性。发现当冲击应力超过HEL(雨贡纽弹性极限)后,光传输的持续时间与应力的增加呈负相关。在相同的冲击速度下,不同蓝宝石不同晶向的透光性的下降率有所不同,具体表现为 A 切蓝宝石最大,R 切蓝宝石最小。作者猜测这些光学结果与蓝宝石冲击载荷下不同滑移系统的激活和非弹性变形响应相关。经高速相机观测显示,蓝宝石样品内发光的“热点”分布并非均匀,而是较为集中地出现在特定区域,此现象在不同晶向的样品中表现出显著的差异。图 1 为Hare 等人1
11、0通过高速相机观测拍摄的结果,经观察发现,C 切蓝宝石的“热点”呈片状分布在右侧,而在左侧则呈零星分布。而在易产生孪晶和滑移带的 R 切蓝宝石中,则基本观察不到“热点”。这一现象与某些学者认为大量孪晶和滑移有助于形成绝热剪切带网络的观点不符,但却表明良好且均匀的塑性变形有助于抑制绝热剪切带网络的发展。张宁超等11,12在轻气炮加载平台上研究了蓝宝石在冲击加载中的特性,并采用了多通道辐射高温计和ICCD 瞬态光谱测量系统对实验中的发光光谱及热辐射进行测量。在冲击压缩过程测得的温度与热力学计算的温度并不对应,因此他们认为冲击过程中蓝宝石单晶试图 1 冲击载荷下蓝宝石不同晶向的“热点”分布10627
12、r-plane20GPac-plane21.1GPaa-plane22GPa628630282023 年第 3 期(总第 167 期)样只在局部区域产生热辐射,同时三个温度(冲击辐射温度、静态高压测得的蓝宝石熔化温度、理论计算的熔化温度)的一致,则进一步证明了冲击载荷导致了绝热剪切带的生成。2 模拟研究进展目前对蓝宝石冲击响应进行的研究主要侧重于发光消光、位错滑移及温升方面,这些研究结果对于实际生产应用具有重要的参考价值。然而由于蓝宝石材料的硬脆性,在冲击过程中其损伤变形的时间和空间尺度很小,即使采用先进的实验手段如 DPS 系统、多通道辐射高温计和 ICCD 光谱测量,要观察材料在冲击过程中
13、损伤的产生和扩展仍然极为困难。相比之下,数值模拟方法可以克服制备试样、实验技术复杂度和参数影响等实际工程中存在的问题,成为研究材料复杂力学性质的有效分析方法。Ren 等13采用有限元方法对氧化铝陶瓷的动态失效进行了模拟。结果表明,在冲击载荷作用下,大量径向、轴向裂纹和侧向裂纹起主要作用。杨震琦等14进一步使用 Johnson-HolmquistII(JH-2)本构模型模拟了Al2O3陶瓷在低速冲击下的动态损伤过程,冲击载荷下的损伤首先积聚在试样的冲击面及试样背面,而后开始沿纵向传播。在试样内部会产生一个环形损伤区,内部损伤会从损伤区向外辐射,并与外部损伤相连,最终导致试样的整体断裂。在此过程中
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