席濤 范偉 儲(chǔ)根柏 稅敏 何衛(wèi)華 趙永強(qiáng) 辛建婷谷渝秋

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽(yáng) 621900)

超高應(yīng)變率載荷下銅材料層裂特性研究?

席濤 范偉 儲(chǔ)根柏 稅敏 何衛(wèi)華 趙永強(qiáng) 辛建婷?谷渝秋?

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽(yáng) 621900)

(2016年8月8日收到;2016年10月19日收到修改稿)

超高應(yīng)變率載荷下材料層裂特性研究對(duì)理解極端條件下材料動(dòng)態(tài)破壞特性具有重要意義.利用雙溫模型結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬研究分析了超高應(yīng)變率載荷下銅材料的層裂特性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變率在109s-1—1010s-1內(nèi)時(shí),銅材料層裂強(qiáng)度在19 GPa附近波動(dòng).而當(dāng)材料發(fā)生沖擊熔化時(shí),銅的層裂強(qiáng)度下降到14.89 GPa.利用飛秒激光對(duì)銅樣品靶進(jìn)行沖擊加載,并利用啁啾脈沖頻譜干涉技術(shù)開展超快診斷,通過單發(fā)次實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得了樣品靶的自由面粒子速度演化歷史,結(jié)果未見表征樣品層裂的速度回跳和速度周期性振蕩信號(hào).結(jié)合沖擊動(dòng)力學(xué)理論得到樣品自由面附近最大加載壓強(qiáng)為8.18 GPa,小于超高應(yīng)變率載荷下銅材料的層裂強(qiáng)度.此外,對(duì)回收樣品掃描分析發(fā)現(xiàn),銅樣品未發(fā)生層裂且飛秒激光引起的沖擊波對(duì)樣品表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很大影響.

層裂,超高應(yīng)變率,分子動(dòng)力學(xué)模擬,頻譜干涉

1 引 言

層裂是沖擊載荷作用下,材料內(nèi)部加載稀疏波和自由面反射稀疏波相互作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力滿足某種斷裂判據(jù)時(shí),材料發(fā)生的一種動(dòng)態(tài)損傷破壞行為.動(dòng)態(tài)損傷破壞問題是力學(xué)中最困難、最復(fù)雜的問題之一,錢學(xué)森在其“物理力學(xué)講義”中將其歸納為“連基本概念也還不十分清楚的問題”[1].事實(shí)上,層裂破壞起源于原子層次上的點(diǎn)陣缺陷,經(jīng)過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)促成微孔洞成核,隨后進(jìn)入細(xì)觀層次上微孔洞的長(zhǎng)大和聚集,最后在宏觀層次上由于損傷局域化而導(dǎo)致材料斷裂.可見層裂過程涉及到從原子結(jié)構(gòu)到宏觀結(jié)構(gòu)近十個(gè)尺度量級(jí),涵蓋了不同尺度上的動(dòng)力學(xué)過程[2,3].對(duì)極端條件下材料層裂特性的研究是高壓物理、材料科學(xué)、強(qiáng)度物理學(xué)和沖擊動(dòng)力學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問題,研究成果在裝甲防護(hù)、航空航天器防護(hù)、材料切割等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

材料層裂過程受加工過程、細(xì)觀結(jié)構(gòu)、初始溫度、初始缺陷、加載應(yīng)變率等眾多因素影響[4,5],在這些影響因素中加載應(yīng)變率的影響非常重要.研究表明,材料層裂強(qiáng)度隨加載應(yīng)變率的增加而增大[6,7],且在極高應(yīng)變率下材料層裂強(qiáng)度與材料理論強(qiáng)度接近[8].早期對(duì)材料層裂特性的實(shí)驗(yàn)研究大多采用霍普金森桿、輕氣炮、電炮、化爆等加載手段,加載應(yīng)變率在102s-1—105s-1之間.高功率激光裝置的出現(xiàn),把加載應(yīng)變率擴(kuò)展到106s-1—109s-1,覆蓋了傳統(tǒng)加載方式不能達(dá)到的應(yīng)變率范圍,成為研究高應(yīng)變率載荷下材料特性的有力手段.

高功率激光裝置上材料層裂特性研究大多采用納秒束加載[9-13],加載應(yīng)變率一般在106s-1—107s-1之間,而更高應(yīng)變率載荷下材料層裂特性實(shí)驗(yàn)研究仍十分有限,實(shí)驗(yàn)中通常采用超短脈沖激光(皮秒或飛秒)對(duì)樣品進(jìn)行沖擊加載來達(dá)到該應(yīng)變率條件.2001年,Tamura等[14]利用皮秒和飛秒激光對(duì)超高應(yīng)變率載荷下鋁材料層裂特性進(jìn)行研究,通過對(duì)回收樣品掃描分析發(fā)現(xiàn),層裂片厚度與靶厚成線性關(guān)系,但其沒有對(duì)層裂過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)診斷.Lelandais等[15]在Tamura等的研究基礎(chǔ)上,利用任意反射面干涉儀對(duì)樣品自由面粒子速度進(jìn)行測(cè)量,得到了飛秒激光引起的沖擊波在樣品中的傳播特性.但是由于時(shí)間分辨不夠,自由面粒子速度尚不能反應(yīng)材料層裂特點(diǎn).2013年,Ashitkov等[16]將啁啾脈沖頻譜干涉診斷技術(shù)應(yīng)用到飛秒激光加載下金屬材料的層裂特性研究中,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品自由面速度獲得了超高應(yīng)變率(～109s-1)載荷下鐵、鋁等材料的層裂強(qiáng)度.在國(guó)內(nèi),尚未見超高應(yīng)變率載荷下金屬材料層裂特性方面的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道.

由于層裂過程中微孔洞成核、生長(zhǎng)和匯通過程無法通過實(shí)驗(yàn)方法直接觀察,因此采用分子動(dòng)力學(xué)模擬再現(xiàn)這一過程非常重要.早在20世紀(jì)90年代,Belak[17]就開展了層裂過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬,其模擬了少量孔洞的成核分布,單個(gè)孔洞生長(zhǎng)規(guī)律以及兩個(gè)孔洞之間的匯通過程.其模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性一致：微孔洞在金屬最脆弱的晶界交叉處成核.隨著分子動(dòng)力學(xué)模擬方法的發(fā)展和硬件計(jì)算能力的提升,利用分子動(dòng)力學(xué)模擬材料層裂過程得到了快速發(fā)展.2005年,Ashkenazy和Averback[18]對(duì)Cu-Ti合金的層裂形成過程進(jìn)行研究,結(jié)果表明孔洞的成核過程伴隨著材料的局部非晶化;2006年,Dremov等[19]模擬發(fā)現(xiàn)在多晶納米晶體中孔洞成核主要發(fā)生在顆粒邊界處,而在單晶納米晶體中成核主要發(fā)生在對(duì)疊層錯(cuò)交接處;2009年,Luo等[20]用分子動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)研究了加載波形、寬厚比、脈沖時(shí)間等對(duì)單晶銅層裂特性的影響;2012年,Durand和Soulard[21]通過模擬研究微層裂過程發(fā)現(xiàn)熔化過程對(duì)層裂過程有顯著影響.國(guó)內(nèi)研究人員在層裂的分子動(dòng)力學(xué)模擬方面也做了大量工作,如Xiang等[22]通過模擬發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)層裂和微層裂都是由于微孔洞的成核、生長(zhǎng)、連接等因素引起的,成核數(shù)量和大小的差異是兩者的主要區(qū)別;Shao等[23]通過模擬研究了鋁樣品在沖擊加載下的動(dòng)態(tài)損傷過程,比較了固體和液體動(dòng)態(tài)損傷的特點(diǎn).通過分子動(dòng)力學(xué)模擬能夠?qū)恿褭C(jī)理加深認(rèn)識(shí),但是在這些模擬中加載波形要么為方波,要么是利用飛片碰撞等方式產(chǎn)生的三角波,這些模擬條件和激光加載情況很難對(duì)應(yīng).

本文利用分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式開展了超高應(yīng)變率載荷下銅材料層裂特性研究.把雙溫模型與分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合,分析研究了飛秒激光加載下樣品內(nèi)部沖擊波傳輸特性和層裂特性.利用飛秒激光加載金屬銅膜,同時(shí)采用啁啾脈沖頻譜干涉技術(shù)開展診斷,獲得了樣品自由面的速度演化歷史,由此得到樣品自由面附近峰值加載壓強(qiáng).此外,對(duì)回收樣品進(jìn)行掃描分析,得到了飛秒激光作用后,靶材料的結(jié)構(gòu)變化.

2 飛秒激光加載下銅材料層裂特性的分子動(dòng)力學(xué)模擬

飛秒激光與金屬材料相互作用時(shí),金屬中的自由電子首先通過逆韌致吸收過程吸收激光能量.當(dāng)趨膚層深度內(nèi)的自由電子吸收激光能量后,電子溫度迅速升高,然后通過自由電子熱擴(kuò)散將熱流傳入到金屬靶內(nèi)部,并通過電子與晶格耦合過程傳遞給周圍晶格[24,25],該過程中材料內(nèi)部電子溫度和晶格溫度變化可由雙溫方程描述.因此,在分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中,首先利用雙溫模型計(jì)算出材料趨膚深度內(nèi)的激光沉積能量,然后通過沉積能量對(duì)材料形成沖擊加載.利用雙溫模型結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬研究飛秒激光加載下材料層裂過程,不但能把模擬條件和激光加載條件相對(duì)應(yīng),而且利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的優(yōu)點(diǎn),還可以研究不同加載條件對(duì)材料層裂特性的影響,同時(shí)也方便對(duì)層裂過程中難以在實(shí)驗(yàn)中觀察的微孔洞的成核、生長(zhǎng)和匯通等過程進(jìn)行研究.

2.1 雙溫模型

早在1974年,蘇聯(lián)學(xué)者Anisimov等[26]就提出了描述超短脈沖激光與金屬相互作用過程的雙溫模型,其描述方程如下：

其中Te和Tl為電子和晶格溫度,Ce=C′eTe是電子熱容,Cl是晶格熱容,C′e是與電子溫度無關(guān)的常數(shù),g是電子和晶格的耦合系數(shù),電子熱傳導(dǎo)系數(shù),κ0為熱平衡時(shí)電子熱導(dǎo)率,κi為離子熱傳導(dǎo)系數(shù),在方程中可以忽略.這里考慮了電子-聲子相互作用力,并將電子-聲子的耦合簡(jiǎn)化為g(Te-Tl).S(Z,t)是激光熱源,與激光功率密度I(t)相關(guān),R為材料表面反射率,α為材料吸收系數(shù),Io是最大激光能量密度,tp為脈沖寬度.

通過微分方程隱式求解算法求解上述方程,兩邊采用絕熱邊界條件.數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)為：靶厚500 nm,均勻劃分為200格,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)10 fs,為計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)800 ps,激光脈寬25 fs,靶初始溫度300 K,雙溫模型所需其他參數(shù)見表1[27].圖1是激光功率密度在2.0×1014W/cm2時(shí)銅材料趨膚深度內(nèi)電子和晶格溫度變化情況,從圖中可以看到電子溫度在很短的時(shí)間內(nèi)快速上升,繼而再迅速下降,而晶格溫度一直在緩慢上升,直到兩者慢慢趨于平衡.

雙溫模型根據(jù)飛秒激光和材料相互作用的物理過程,把材料內(nèi)部電子和離子溫度分別進(jìn)行處理,這樣得到的數(shù)值模擬結(jié)果能夠和實(shí)驗(yàn)很好地符合[28].由此可見,雙溫模型可以為分子動(dòng)力學(xué)模擬飛秒激光與物質(zhì)相互作用過程的溫度輸入提供良好的基礎(chǔ).

表1 銅雙溫模型參數(shù)Table 1.The parameters of two temperature model for copper.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)激光功率密度為2.0×1014W/cm2時(shí)材料趨膚深度內(nèi)電子和離子溫度隨時(shí)間的演化Fig.1.(color online)The evolution of electron and ion temperature with time in the skin depth under laser power intensity 2.0×1014W/cm2.

2.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬

在本文的分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中,銅材料原子間相互作用采用Zhou等[29]提出的原子嵌入式模型(embedded atom method,EAM).系統(tǒng)大小為5a×5a×500a(a為晶格常數(shù)),x,y,z坐標(biāo)分別沿[100],[010],[001]方向.其中x方向?yàn)榧す饧虞d方向,采用自由邊界條件,y,z方向采用周期性邊界條件,用以減少模擬過程中的邊界效應(yīng).在加載之前對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行弛豫,弛豫溫度為300 K,弛豫壓強(qiáng)為1 bar.加載是在一定時(shí)間內(nèi)把趨膚深度內(nèi)的材料加熱到2.1節(jié)中計(jì)算的電子-離子平衡溫度,同時(shí)材料其余部分保持在常溫狀態(tài).隨后,積累在趨膚深度內(nèi)的熱量通過熱傳導(dǎo),在材料內(nèi)部形成加載沖擊波.

為獲得飛秒激光加載下材料內(nèi)部應(yīng)力波的演化過程,沿激光加載方向?qū)悠愤M(jìn)行均分,統(tǒng)計(jì)每個(gè)均分單元內(nèi)部材料應(yīng)力數(shù)據(jù)的平均值.然而在強(qiáng)激光加載條件下,激光和物質(zhì)相互作用產(chǎn)生大量等離子體,隨后等離子體向激光加載的相反方向噴射,這導(dǎo)致對(duì)該部分的應(yīng)力狀態(tài)統(tǒng)計(jì)缺乏實(shí)際意義,因此只對(duì)樣品后60%部分進(jìn)行處理.通過分析不同時(shí)刻材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài),就能得到飛秒激光加載下材料內(nèi)部應(yīng)力波演化過程.圖2是激光功率密度為2.0×1014W/cm2時(shí)樣品內(nèi)部應(yīng)力波隨時(shí)間的演化過程,可以看到激光加載形成的沖擊波為三角波.初始時(shí)刻,樣品內(nèi)部無初始應(yīng)力;t=30 ps時(shí),沖擊波傳播到分析位置;后面隨著時(shí)間的增加,沖擊波繼續(xù)向樣品內(nèi)部傳播,同時(shí)伴隨著沖擊波脈寬的展寬和幅值的衰減;t=55 ps時(shí),自由面反射形成的卸載稀疏波導(dǎo)致樣品內(nèi)部沖擊波幅值進(jìn)一步降低.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的應(yīng)力波演化Fig.2.(color online)Evolution of pressure profile from molecular dynamics simulation.

對(duì)不同時(shí)刻樣品自由面粒子速度統(tǒng)計(jì)分析,可以得到特定功率密度加載下材料自由面粒子速度演化歷史.這里選取自由面厚度為8a,即統(tǒng)計(jì)樣品后界面長(zhǎng)度為8a的單元格內(nèi)粒子速度的平均值.圖3是不同功率密度下樣品自由面粒子速度演化過程,可以看到自由面粒子速度有明顯的回跳和周期性振蕩,這是明顯的層裂信號(hào).根據(jù)自由面粒子速度可以計(jì)算出材料自由面附近最大壓強(qiáng)、層裂應(yīng)變率、層裂強(qiáng)度,計(jì)算公式如下所示,計(jì)算結(jié)果見表2.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的自由面粒子速度Fig.3.(color online)Evolution of free surface velocity from molecular dynamics simulation.

自由面附近最大壓強(qiáng)計(jì)算公式為

層裂應(yīng)變率計(jì)算公式為

層裂強(qiáng)度計(jì)算公式為

其中D為沖擊波速度,u為波后粒子速度,c0=3.940 km/s和λ=1.489為表征銅樣品性質(zhì)的常數(shù)[30],p為沖擊波壓強(qiáng),ρ0=8.93 g/cm3為銅樣品密度,為層裂應(yīng)變率,Δu為速度回跳大小,Δt是自由面粒子速度從峰值到回跳的時(shí)間間隔,σspall為層裂強(qiáng)度,Cb為銅樣品的體聲速.

表2 不同激光功率密度下銅樣品沖擊和層裂參數(shù)Table 2.Shock and spall parameters for copper loading at different laser power intensity.

由表2可知,當(dāng)加載激光功率密度為5.0×1013W/cm2時(shí),樣品已經(jīng)發(fā)生層裂.這時(shí)樣品自由面附近最大壓強(qiáng)為22.58 GPa,層裂應(yīng)變率為7.7×109s-1,層裂強(qiáng)度為19.22 GPa.隨著加載激光功率密度的增加,自由面附近最大壓強(qiáng)、層裂應(yīng)變率都隨之增大.但層裂強(qiáng)度的變化相對(duì)復(fù)雜一些,樣品未發(fā)生沖擊熔化時(shí),激光功率密度對(duì)層裂強(qiáng)度的影響不大,當(dāng)加載激光強(qiáng)度足夠大(6.0×1014W/cm2)時(shí),樣品會(huì)發(fā)生沖擊熔化現(xiàn)象,此時(shí)樣品的層裂強(qiáng)度將下降到14.89 GPa.本文得到的銅層裂強(qiáng)度相比Luo等[20]利用方波加載得到的層裂強(qiáng)度高,這是因?yàn)轱w秒激光加載形成的波形為三角波,這和Hixson等[12]的研究結(jié)果相符合.

2.3 極高應(yīng)變率下銅材料的層裂機(jī)理

為研究極高應(yīng)變率下銅材料層裂機(jī)理,采用橫截面更大的模擬系統(tǒng),模擬體系大小為30a×30a×140a(a為晶格常數(shù)),加載激光功率密度為2.0×1014W/cm2.模擬結(jié)果如圖4所示.其中不同顏色代表了樣品內(nèi)部不同的CNA(common neighbor analysis)值,用于描述樣品內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu),這里只截取樣品斷裂部分進(jìn)行分析.圖4(a)為材料初始構(gòu)型,從圖4(b)可以看到微缺陷開始形成,圖4(c)中孔洞開始生長(zhǎng),圖4(d)中孔洞已經(jīng)連通導(dǎo)致材料斷裂.可以看到超高應(yīng)變率載荷下,材料層裂過程也經(jīng)歷了微缺陷的形成、孔洞生長(zhǎng)和孔洞連通和斷裂過程.

利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究飛秒激光引起的沖擊波在樣品中的傳播特性及其引起樣品的層裂特性,能夠方便地研究不同加載條件下樣品的動(dòng)態(tài)響應(yīng),能夠從原子尺度分析動(dòng)態(tài)載荷下樣品結(jié)構(gòu)演化過程,這對(duì)超高應(yīng)變率載荷下樣品動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究具有重要意義.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)材料層裂過程 (a)樣品初始構(gòu)型;(b)孔洞成核;(c)孔洞生長(zhǎng);(d)孔洞連通斷裂Fig.4.(color online)Spall process：(a)Initial configuration of the simulated sample;(b)void nucleation;(c)void growth;(d)void confluence and fracture.

3 超高應(yīng)變率載荷下銅層裂特性的實(shí)驗(yàn)探索

為研究超高應(yīng)變率載荷下銅樣品的層裂特性,實(shí)驗(yàn)在45 TW飛秒激光裝置上開展.該激光裝置能以單次或10 Hz重復(fù)頻率打靶,最高單脈沖輸出能量為1.0 J,激光脈寬25 fs(FWHM),中心波長(zhǎng)800 nm.實(shí)驗(yàn)樣品為利用電子束濺射方式制作的厚度為(502±5)nm的銅膜,襯底為0.18 mm厚的蓋玻片.實(shí)驗(yàn)中激光分為泵浦光和探測(cè)光兩束,其中泵浦激光能量為3.08 mJ,聚焦光斑直徑為(756±80)μm,接近高斯型分布,最大驅(qū)動(dòng)功率密度為5.5×1013W/cm2.探測(cè)激光通過光柵對(duì)展寬為線性啁啾脈沖,用于啁啾脈沖頻譜干涉診斷.實(shí)驗(yàn)中啁啾脈沖的啁啾系數(shù)為-1.72×10-6rad·fs-2,由此確定的測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間分辨為1.3 ps.

圖5是利用啁啾脈沖頻譜干涉技術(shù)診斷獲得的樣品自由面位移和速度演化曲線,其中圖5(a)是測(cè)量區(qū)域中間部分的位移曲線,藍(lán)色曲線是由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重建得到的結(jié)果,對(duì)其進(jìn)行勻滑處理,結(jié)果如紅色曲線所示.自由面啟動(dòng)時(shí)刻選取為位移出現(xiàn)趨勢(shì)性連續(xù)上升的起始位置,將零時(shí)刻之前的位移進(jìn)行歸零處理.圖5(b)是對(duì)圖5(a)的紅色位移曲線進(jìn)行微分得到的自由面粒子速度曲線,其反映了樣品內(nèi)部沖擊波的加載和卸載過程,可以看到曲線沒有出現(xiàn)表征樣品層裂的速度回跳和周期性振蕩信號(hào).自由面粒子峰值速度為0.43 km/s,由(4)和(5)式可得該沖擊波在銅樣品自由面附近引起的最大加載壓強(qiáng)為8.18 GPa.根據(jù)前文分析,該壓強(qiáng)尚不能引起銅材料發(fā)生層裂.由(6)式可得實(shí)驗(yàn)中樣品卸載應(yīng)變率最大值為7.3×109s-1,該應(yīng)變率和分子動(dòng)力學(xué)模擬的卸載應(yīng)變率(7.7×109s-1到1.95×1010s-1)具有可比性,消除了分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率效應(yīng)的影響.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)測(cè)量區(qū)域中間部分自由面位移和速度 (a)位移圖;(b)速度圖Fig.5.(color online)The free surface displacement and velocity evolution profile measured in a central part of the measured area：(a)Displacement evolution profile;(b)velocity evolution profile.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)回收靶SEM (a)加載區(qū);(b)加載區(qū)邊緣Fig.6.(color online)SEM of the target foil：(a)Loaded area;(b)boundary of loaded area.

對(duì)激光加載后的樣品進(jìn)行回收,并利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)回收靶進(jìn)行掃描分析,結(jié)果如圖6所示.其中圖6(a)是回收樣品加載區(qū)的掃描電鏡圖,圖6(b)是回收樣品加載區(qū)邊緣掃描電鏡圖.從圖6(a)可以看出：1)銅膜和蓋波片基底脫落,且樣品表面無撕裂現(xiàn)象,這說明樣品沒有發(fā)生層裂,樣品內(nèi)部拉應(yīng)力強(qiáng)度介于銅樣品層裂強(qiáng)度和銅膜與蓋玻片結(jié)合強(qiáng)度之間;2)蓋玻片基底出現(xiàn)波紋結(jié)構(gòu),這是因?yàn)樯w玻片對(duì)激光的強(qiáng)吸收導(dǎo)致其發(fā)生燒蝕,因此激光加載到樣品的實(shí)際能量比估計(jì)能量低;3)銅膜表面有明顯脈絡(luò),這說明飛秒激光引起的沖擊波會(huì)導(dǎo)致樣品表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.

從圖6(b)可以看到激光加載區(qū)域邊緣整齊,這是因?yàn)轱w秒激光可以在極短的時(shí)間和極小的空間內(nèi)以極高的功率密度與物質(zhì)相互作用,并在極短時(shí)間內(nèi)使電子溫度達(dá)到極高,使物質(zhì)從固態(tài)變?yōu)榈入x子態(tài),迅速以噴射形態(tài)脫離樣品,而其周圍的物質(zhì)仍然處于“冷狀態(tài)”.這也是工業(yè)上把飛秒激光用于材料加工的重要原因.

4 結(jié) 論

利用雙溫模型結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬分析了飛秒激光加載下銅材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng),發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率在109s-1—1010s-1時(shí),銅樣品的層裂強(qiáng)度在19 GPa附近波動(dòng).當(dāng)樣品發(fā)生沖擊熔化時(shí),層裂強(qiáng)度降低到14.89 GPa.在高功率飛秒激光裝置上對(duì)銅樣品進(jìn)行超高應(yīng)變率加載實(shí)驗(yàn),最大加載功率密度為5.5×1013W/cm2.利用啁啾脈沖頻譜干涉技術(shù)測(cè)得自由面粒子速度,未見表征樣品層裂的速度回跳和速度周期性振蕩信號(hào).結(jié)合沖擊波關(guān)系式得到樣品自由面附近最大加載壓強(qiáng)為8.18 GPa,小于樣品層裂強(qiáng)度.此外,回收樣品的掃描分析結(jié)果也顯示樣品沒有發(fā)生層裂.樣品自由面附近最大壓強(qiáng)較小的原因是由于實(shí)驗(yàn)樣品(500 nm)比模擬樣品(180 nm)厚,飛秒激光加載引起的沖擊波在傳輸過程中快速衰減,并且蓋玻片基底對(duì)加載激光的吸收,導(dǎo)致實(shí)際到達(dá)樣品加載面的激光能量小于測(cè)量值.下一步研究分析中,在分子動(dòng)力學(xué)模擬方面,通過增加模擬系統(tǒng)尺寸,對(duì)材料層裂形成過程中微缺陷的形成、成核、生長(zhǎng)和聚集過程進(jìn)行量化分析;在實(shí)驗(yàn)研究方面,通過增加金屬靶厚度以實(shí)現(xiàn)靶自支撐,消除基底對(duì)激光的吸收.同時(shí)在真空中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),防止空氣離化對(duì)加載過程造成影響.

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PACS:02.70.Ns,47.40.—x,06.30.Gv,07.60.Pb DOI:10.7498/aps.66.040202

Spall behavior of copper under ultra-high strain rate loading?

Xi Tao Fan WeiChu Gen-BaiShui Min He Wei-Hua Zhao Yong-Qiang Xin Jian-Ting?Gu Yu-Qiu?

(Science and Technology on Plasma Physics Laboratory,Research Center of Laser Fusion,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

8 August 2016;revised manuscript

19 October 2016)

The spall behavior of copper at ultra-high strain rate is studied by molecular dynamics simulation combined with an experimental analysis of laser ablation of a bulk copper target by femtosecond laser pulses.In the molecular dynamics simulation,two-temperature model is used,shock wave and spallation characteristics of copper shock-loaded by femtosecond laser are analyzed in detail.It is concluded that the evolution of pressure indicates a triangular waveform of the shock wave,and the spall strength of copper is about 19 GPa at strain rates ranging from 109s-1to 1010s-1,while higher pressure would melt the sample and the spall strength decreases to 14.89 GPa.Normally,the spallation is characterized by the sample free-surface undergoing alternately acceleration and deceleration,and the spallation mechanism could be explained by void nucleation,growth,coalescence that leads to the final fracture.An experiment is conducted to achieve high strain rate load on copper.The driving laser has a pulse width of 25 fs and central wavelength of 800 nm,the thickness values of the shocked copper foils are(502±5)nm,fabricated by electron beam sputtering deposition onto 180μm cover slip substrates.The driving laser beam with maximum intensity 5.5×1013W/cm2,is focused on the front surface of the copper through the transparent substrate.Movements of the free rear surfaces of the copper foils are detected by chirped pulse spectral interferometry,and the theoretical time resolution is 1.3 ps.As a result,the free surface displacement and velocity evolution profile of the shocked area are obtained in a single measurement,and the results directly show that the maximum free surface velocity is 0.43 km/s and no alternately acceleration and deceleration appears.According to the shock wave relations,the maximum pressure near free-surface is 8.18 GPa.Meanwhile,derived from the velocity evolution profile,the strain rate is 7.3×109s-1.Combining with the above molecular dynamics simulation results,it is concluded that there is no spallation in the copper foil.Furthermore,we recover the sample targets and observe the microstructures by using scanning electron microscope.The copper foils are peeled off,but no spall scab is observed,indicating that the internal stress is between the copper spall strength and the bonding strength of copper foil with the transparent substrate.Ripple structure on copper surface demonstrates the femtosecond pulsed laser has ablated the copper film,and the propagation of the shock in fs regime is sensitive to microscopic defects.

spall,ultra-high strain rate,molecular simulation,spectral interference

:02.70.Ns,47.40.—x,06.30.Gv,07.60.Pb

10.7498/aps.66.040202

?中國(guó)工程物理研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(批準(zhǔn)號(hào)：9140C680306150C68298,9140C680305140C68289)資助的課題.

?通信作者.E-mail：jane_xjt@126.com

?通信作者.E-mail：yqgu@caep.ac.cn

*Project supported by the Science and Technology on Plasma Physics Laboratory,China(Grant Nos.9140C680306150C68298,9140C680305140C68289).

?Corresponding author.E-mail：jane_xjt@126.com

? Corresponding author.E-mail：yqgu@caep.ac.cn