冲击加载下苯的透光特性

陈源福

(闽南理工学院 土木工程学院基础部，福建 泉州 362700)

苯作为重要的芳香、环状类化合物的代表，也是其同系物的主要构成结构[1]，结构与含能材料相似，有重要的工程应用背景，对其物性的研究有着重要的意义.自从1914年Bridgman[2]首次在静高压下获得苯的相关数据以来，苯在高压下的相图[3--5]已经有一个比较清晰的划分.Lucia Ciabini[6]和Thiery and Leger[7],Adams and Appleby等[8]都在静态压缩下观测到了苯相变的发生，但是他们都认为这个转变过程迟缓.而在动高压下，Dick[9]在1969年第一次用冲击加载方法研究苯在冲击过程中的相变，认为其经历了一个瞬态转变过程.Matsuda等[10]在激光冲击加载下，利用拉曼光谱检测，在压力达到4.2 GPa和温度600 K时，发现苯发生液-固转变，并且认为结构的变化与时间有关，这种结构的转变大约在25 ns内完成.Walsh and Rice[11]在爆轰加载下，采用侧光反射的方法，对苯等15种透明液体的透光性做了研究，就苯而言，在一次冲击过程中没有观测到透光性发生变化.Root and Gupta[12]采用多次冲击加载液态苯方法，在0.6～13 GPa范围内，也发现液态苯透光性没有发生变化.并认为Matsuda等人的激光加载受到边侧稀疏波的影响，其实验结果存在误差.对比静高压、激光加载和动高压实验结果，冲击相变动力学仍然是非常值得进一步探究的问题.本文利用轻气炮加载带有稳定性较好的小功率脉冲激光弹丸，适时在线观测多次冲击下液态苯的透光性变化，来研究苯的相变问题.

1 实验原理与方法

实验装置如图1所示，飞片、基板和窗口均为石英玻璃，密度为2.21 g/cm3.液体苯被夹在基板(Φ40×4 mm)和窗口(Φ30×10 mm)之间，苯样品处于可控的循环装置中，用来保证样品中没有空气且纯度满足实验要求.小功率激光内置于弹丸之中，激光波长为650 nm，光斑直径小于1 mm.

实验时，带有激光光源的弹丸由一级轻气炮加载加速，弹丸的速度由磁测速系统测量[13].弹丸的飞片与基板碰撞时，压缩很薄的一层间隙气体发出强光，同时连接激光器电路被接通，激光开始工作，依次经过飞片、基板、样品和窗口，最后用光纤接收传输到多通道瞬态高温计，再由示波器记录.弹丸上的飞片与基板碰撞后，产生的冲击波向前传播，依次经过基板、样品和窗口，由于样品的冲击阻抗比基板和窗口的低，冲击波可在基板与窗口之间来回反射，实现样品的多次压缩.液体苯为高纯度光谱纯，密度：0.874 g/cm3，Hugoniots：Us=1.50+1.67Up[14].用阻抗匹配法来计算实验时样品的冲击压力和冲击温度[15].

2 结果与讨论

如图2所示为多次冲击压缩1.068 mm厚的苯样品的实验信号，由信号可以看出，弹丸上的飞片与靶面碰撞时，被压缩的气体瞬间产生强光，以此来计算产生冲击波的时间起点，冲击波经过基板对样品第1次压缩，压力为0.98 GPa，从实验结果来看苯的透光性没有发生变化.

此时刻冲击波到达观察窗口与样品接触的前界面，由于窗口的阻抗比样品大，冲击波反射对样品进行了二次压缩，如图2的t1时刻，压力升至2.27 GPa、温度543 K，苯的透光性开始下降.图2的t2时刻冲击波对样品第3次冲击，随着驱动力的增加，样品的透射率下降加剧，并在随后冲击中继续下降，最后趋于稳定.而引起透光性下降的原因可能是样品发生化学分解，但从文献报道，苯在冲击压缩到13 GPa时才发生化学分解，Jean Bernard Maillet等人[16]也通过分子动力学模拟指出，苯分子的分解极限在13 GPa以上,国内赵北京等人[17]在动态加载中利用激光拉曼光谱技术，观察知要达到9.7 GPa苯的结构才开始发生变化.因此，苯在本实验的压力下还未达到分解的条件，而发生光的透射率下降的原因，则是由于样品内部发生局部团簇，诱发苯结冰相变，使样品的折射率发生了变化，且发生在纳秒时间尺度内，这与静高压观察到的相变时间尺度不同.

本实验的多次冲击加载中前3次的压力与温度在相图中的位置，如图3所示.实验表明样品苯在第1次冲击的压力和温度点在液相-固相Ⅰ的相边界上，2次冲击时已跨入固相Ⅱ区，随后的第2次、第3次的冲击压力、温度数据点也都在固相Ⅱ区.由此可见，在对应时间、压力和温度下，液体苯在多次冲击压缩后发生了结晶相变.

3 结 论

在动态加载上利用光透射测量技术对液体苯的透光性进行在线观测，实验表明苯在第2次冲击时，压力达到2.27 GPa、温度为543 K时，苯的透光性开始发生变化.由于实验压力下基板和窗口的透光性良好，且苯发生化学分解的压力条件还远远不够，引起样品透光性变化的原因归结为样品在多次加载下发生了结晶相变，与静高压的实验相图吻合得比较好.为苯的动力学研究提供了实验数据参考.