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5.描述材料和结构冲击的实验技术,包括测试手段和试验方法，并分别简单介绍其用途、优缺点。答：⑴测试手段：对于高应变率和冲击波传播行为，通过测试，可以得到材料基本的动力学参数（如状态方程、流动压力的应变率相关性等），并可以将这些实测参数与理论计算得到的参数进行比较。测试手段主要包括波或粒子到达时间测试仪，用于测定单个质点位移-时间曲线的测试仪，用于记录连续质点位移-时间曲线的测试仪，用于测定应力-时间关系曲线的测试仪。①时间测试仪：电子探针法和闪光间隙法是最早的测试仪器。电子探针法是将探针安放于离靶板表面不同距离，给这些探针充电，当与飞片接触时发生放电，于是可以在高速示波器上记录下一个微弱的电流信号。缺点是运动飞片会压缩板前的空气，受压缩的板前区域可能会产生高压，板前空气也会发生电离并导电，致使电子探针提前“短路”。在实验中并不希望有这种情况发生，为此可在靶板与飞片之间尽可能充入不易电离的气体（如甲烷），或干脆将板前区域抽成真空。闪光间隙法使用一个小容器，其内部装有可电离气体，当自由表面发生撞击产生压缩可时，会使小容器内的气体电离，可用高速扫描或份幅摄影机记录下电离气体的闪光，可以测出冲击波阵面的运动，并确定出冲击波的波速。较为先进的闪光间隙测试技术室光纤探针，装置中使用了一种玻璃微球，并将玻璃微球置于光导纤维的末端。发光后光学信号经由光导纤维传输进入光电倍增管，或由扫描摄影机进行记录。这种闪光间隙技术的优点是其尺寸很小。②激光干涉仪：原理是不同激光束的相互作用会呈现出干涉条纹，分为速度干涉仪和位移干涉仪。速度干涉仪的原理为Doppler频率漂移原理，反射光束的频率由于反射面的移动而与入射光束的频率产生了差异。位移干涉仪是激光源所发出的光束在某点处分开，其中一半光束反射到试件的后表面；与此同时，另一半光束穿过镜片后再反射回来，第二束为参考光束，该光束在整个实验过程中不发生任何变化。在位移干涉仪中，从条纹间距随时间的变化可得到速度。在速度干涉仪中，从条纹间距可直接得到速度。在速度干涉测量法中，要求光束中的一束相对另一束只延迟几纳秒。因此直接光束与延迟光束的频率很接近，这样干涉图案就产生了。最常用的速度干涉仪有两种类型：Sandia实验室研制的VISAR系统和Fabry-Perot系统，VISAR系统最大的优点是：它能用于对不规则的表面（疏松材料，地质材料，复合材料）测试。该系统有极好的精确度和分辨率。③压阻传感器：是指用那些电阻随压力而改变的材料所做成的传感器件。优点是电阻对压力非常敏感，而对大气压下的温度不敏感，冲击产生的热效应很小。锰铜传感器已成功用于高达30GPa的情况，甚至高达100GPa，但最佳范围为压力大于5GPa。当实际压力低于该压力时，可使用碳传感器。传感器在使用时是嵌入材料之内的，而且周围要用绝缘材料保护起来。在测试之前还要用一个脉冲电源为传感器提供电流，经过传感器的电压变化可由示波器来记录。缺点是电阻会发热，时间长了会“烧坏”传感器，所以一般只在冲击波到达的前几毫秒才开通并提供脉冲电源。④压电传感器：这种传感器的优点是不需要外加电源，压电材料在受压时会产生电荷，只靠传感器本身就能直接产生电流有两种不同形状的传感器，其敏感元件有厚薄之分。厚型传感器末端的两级相互接触，当压力脉冲通过时，就会有电流产生。薄型传感器的脉冲传输时间要比脉冲持续时间小得多。这两种均会因两级的应力差异产生一个与之成比例的电流值。⑤电磁速度传感器：是基于法拉第电磁感应定律，如果导体在磁场中运动，就会产生电动势。E=LVB,若L和B已知，测定E，就能求得V，这就是电磁速度传感器的工作原理。这种传感器已广泛用于测量绝缘材料的粒子速度。具体应用时，可将该传感器嵌入材料中，并外加磁场。⑥高速摄影和闪光X射线技术阴影照相术技术，所看到的只是物体的影像，光线快速闪动，在底片上成像，就得到了物体的影像。转镜式摄影机应用于一个气轮机来驱动高速旋转的镜面，当摄影机使用扫描模式时，在物体和中继镜头之间放置一条狭缝，条式照相可连续追踪物体，如表面运动，实施检测，但不再形成影像。扫描摄影机可得到极好的定量数据。电子变像摄影机是一种极为有用的科研仪器，高速电视摄影机具有高达每秒2000幅的拍摄速度。闪光射线照相技术一直广泛应用于动态变形实验中。优点是在含有炸药爆轰的实验中，爆红气体常常会遮盖光学摄影机的视线，闪光射线照像技术可以避免这一点。X射线的能量高，穿透能力强，能观察的系统厚度大。⑵实验方法变形速度不是关键参数，而应变率是关键参数。在高应变率下，由于波传播效应，需要考虑惯性力的影响。对于相对较低的应变率，试件和机构中的弹性波变得非常重要。实验所使用的是液压式、伺候液压式和气动式机构。在高应变率下，通常使用膨胀环、Hopkinson杆和Taylor实验，这些实验的应变率范围一般为103s1~105s1。应变率在105s1~108s1范围内，包括剪切波和冲击波的传播在内，要采用是能量在材料表面迅速沉积的手段，这可通过冲击或通过与材料相接触的炸药爆轰或通过激光或其他辐射来完成。①高应变率力学实验中等应变率的气体压缩装置是将试件放置于机械砧座上，一个活动活塞穿过汽缸，并用千斤顶将活塞“顶起”。当支撑顶降低时，辅助汽缸受压，同事活塞向下加速落下，冲击砧座，冲击的结果是将试件收到压缩。设备的形式其实就是“落锤”，其中重物块是自由落下的。旋转飞轮式拉伸设备，是由电动机驱动一个大飞轮顺时针转动。当大飞轮达到预期速度是，释放销就会松开击锤，然后，击锤撞击受拉试件的底部。飞轮的质量要足够大才能确保其运动速度不变。击锤的释放应与试件的位置恰好保持同步，使击锤恰好可以在撞击试件前被释放。弹性应力杆的位移和试件底部的位移可由光学方法测得。应力杆的位移能提供应力值，而试件底部的位移可以提供应变值。从而可以得出连续的应力-应变曲线。另一种设备室凸轮塑设计，它能使试件和驱动轮之间更加有效的耦合。该设备使用特定旋转速率凸轮，将压缩试件放在弹性杆上。某一时刻，凸轮的随动块便嵌入升降器下发。因此，在凸轮转动一圈之内，试件就会发生变形。该方法所得到的应变率在0.1s1~100s1之间。②Hopkinson杆对于中等应变率的测试，Hopkinson压杆得到了普遍认可。弹丸撞击输入杆，在输入杆中产生一个宽度比试件长度还大的脉冲。弹性波传过输入杆，然后传入试件中。试件夹在输入杆和输出杆之间。弹性波的幅值足以使试件发生塑性变形。在入射波和投射杆上都粘贴了应变片传感器，这样，可以直接测定入射脉冲、反射脉冲和透射脉冲。值得一提的是，我们没有考虑波在试件中的传播。事实上，当波进入试件时会产生反射，之后大约反射三个来回，试件才趋于平衡。波阵面存在一个很有限的上升时间。如果该上升时间与试件中波的传播时间处于同一数量级，那么上升时间就为试件中的应力逐渐上升创造条件。Hopkinson杆还可以用于测定材料的拉伸、扭转和剪切。③膨胀环技术由Johnson等人引入的膨胀环技术也是一项已取得实质性成功的测试技术。例如在钢管中心放置炸药，爆炸后，冲击波向外传播并传入金属环，沿膨胀半径的轨迹推动金属环。应用激光干涉法可以测定膨胀环的速度历程，从而确定在所施加应变率下膨胀环的应力-应变曲线。应该注意到由环中反射应力脉冲产生的膨胀环的初始速度是连续下降的。因此，应变率不停地在发生变化，必须对不同装药进行一系列的测试，才能得到同一应变率下的应力-应变曲线。④爆炸驱动装置一是点爆轰装置转化为线形波发生器，二是通过平面波发生器将线爆轰转化为平面爆轰。穿孔式三角形是最为普通的线形波发生器。穿孔式三角形在其中一个顶端处起爆，爆轰波阵面必须在孔间传播，以使弯曲轨迹D1与边界处轨迹D2相等，因而波阵面便成为直线。该条件也决定了小圆孔直径和间隙的大小。平面波发生器是为了向飞板或系统传入一个平面冲击波阵面，或将一点爆轰转化为所期望的平面式爆轰，这就要求要使用特定的实验结构。⑤轻气炮系统轻气炮作为能产生100m/s~8000m/s撞击的工具已经使用多年，并仍在继续使用。与其他技术相比，轻气炮的主要优点就在于其实验的重复性好、撞击时有极好的平面度和平行度；同时仪器操作简单、检测方便。对于低俗撞击一般使用的是一级轻气炮或推进炮。对于高达8km/s的速度，则使用二级轻气炮。一级轻气炮在设计上非常简单，在高压室内注入高压气体，并将固定在弹托上的弹丸放到炮管中，使得高压气体驱动弹丸。二级轻气炮，它用第一级气炮来驱动一个相当大的活塞，该活塞通常用火药的爆燃来加速。当第一级的压力达到临界值时，隔离膜片打开破裂并开始驱动弹丸。活塞继续运动并压缩气体驱动弹丸。最后活塞部分地进入发射管。非常高的轻气压力通常可以把弹丸加速到7km/s的速度。另外，电子导轨炮可以达到更高的速度。人们还研制了其他一些产生高压的设备，如脉冲激光、爆炸丝和爆炸箔。