исследование параметров взрывного компактирования

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВНОГО КОМПАКТИРОВАНИЯ
ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ВОЗМУЩЕНИЯ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ УДАРНО–ИНДУЦИРУЕМОЙ ВОЛНОЙ ПРОВОДИМОСТИ
Я.Л. ЛУКЬЯНОВ, В.В. ПАЙ, И.В. ЯКОВЛЕВ, Г.Е. КУЗЬМИН
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск, Россия
В последнее время проявляется большой интерес к исследованиям в области материаловедения,
связанной с компактированием гетерогенных сред. Данная область включает в себя задачи, связанные
с созданием материалов, в том числе композиционных, из металлических и неметаллических порошков.
Интерес к этим задачам связан с возможностью создания новых материалов с уникальными свойствами.
Одним из перспективных методов в данной области является взрывное компактирование порошковых
гетерогенных систем, так как вследствие кратковременности воздействия высоких температур
и давлений возможно сохранение и совершенствование исходной структуры и свойств компонентов.
Контролируя фазовый и гранулометрический состав исходной порошковой смеси, а также параметры
ударноволнового нагружения, можно влиять на структуру и свойства получаемых компактов.
Физико–механические характеристики компактов определяющим образом зависят от
параметров ударноволнового нагружения. Однако задача регистрации и контроля параметров
ударных волн в порошковой среде в настоящее время представляет определенные трудности.
Существующие методы измерения этих параметров в монолитных материалах с помощью
локальных датчиков оказываются неприменимыми для измерения динамических характеристик
в пористых средах вследствие быстрого разрушения чувствительных элементов датчиков или
искажения последними фронта ударной волны. Скоростная фотосъемка практически неприменима
для определения ударно–волновых параметров в сплошных и пористых материалах. С ее помощью
удается фиксировать лишь момент выхода ударной волны на внешнюю границу образца. Метод
импульсной рентгенографии имеет низкую разрешающую способность, не позволяя измерять
параметры ударных волн с хорошей точностью в небольших образцах. Поэтому актуальной задачей
является разработка невозмущающего метода регистрации ударноволновых параметров.
В работе [1] разработан дистанционный электромагнитный метод измерения массовой скорости за
ударными волнами. Этот метод применим для исследования процессов динамического нагружения
непроводящих порошков. В [2] рассмотрена задача о распространении плоской ударной волны
с шириной фронта δ, движущейся с постоянной скоростью D в материале, помещенном во внешнее
магнитное поле (рис. 1). При этом первоначально непроводящий материал приобретает проводимость во
фронте ударной волны, и происходит искажение начального магнитного поля. Считается, что массовая
скорость u ( x) и проводимость σ( x) во фронте меняются монотонно и непрерывно.
В одномерном случае поведение магнитного поля описывается уравнением магнитной
гидродинамики:
 ∂H ( x, t )
∂  1
∂H ( x, t )
(1)
⋅
− V ( x ) H ( x, t )  =

∂x  µ0σ( x)
∂x
∂t

Здесь V ( x) = D − u ( x)  массовая скорость в системе фронта, H ( x, t )  магнитное поле, µ0 
магнитная постоянная. Из решения уравнения (1) в квазистационарном приближении получено
выражение для эффективной скорости "вмораживания" магнитного поля в виде
( D − u0 )eα (0)
V* =
1 + eα (0)
0
∫ µ0σ(ξ)e−α(ξ) ( D − u0 )dξ
−δ
,
(2)
Исследование параметров взрывного компактирования методом возмущения магнитного поля
где
x
α( x) =
∫ µ 0 σ ( ξ ) [ D − u ( ξ ) ] dξ
(3)
−δ
1
2
3
4
5
Рис. 1. Массовая скорость и проводимость среды в системе отсчета, связанной с фронтом
Также в работе [2] показано, что в осесимметричном случае, если магнитное поле в области
x < −δ было создано токовым кольцом, находящимся за фронтом ударной волны, то в лабораторной
системе отсчета поле перед фронтом будет эквивалентно полю, создаваемому токовым кольцом,
движущимся со скоростью u* = D − V* в направлении движения ударной волны. Можно показать,
что при малых значениях магнитного числа Рейнольдса Rem << 1 α (0)<<1, следовательно
V* ≈ D − u0 . В этом случае, измеряя скорость "вмораживания" магнитного поля и скорость ударной
волны в порошке, можно определить значение массовой скорости за фронтом.
В настоящей работе для проверки вышеописанной модели проводились эксперименты по
взрывному нагружению металлических порошков, помещенных во внешнее магнитное поле. Схема
эксперимента изображена на рис. 2.
V
D
⊗H
D-u0
x
σ
σ0
−δ
0
x
Рис. 2. Схема взрывного эксперимента.
1  заряд ВВ, 2  источник магнитного поля, 3  алюминиевая фольга, 4  порошок, 5  измерительная катушка
Слой порошка нагружался плоской ударной волной, генерируемой составным зарядом
взрывчатого вещества (ВВ), состоящим из взрывной линзы и основного заряда. На поверхности
Я.Л. Лукьянов, В.В. Пай, И.В. Яковлев, Г.Е. Кузьмин
порошка размещалась алюминиевая фольга толщиной 0,3 мм. Источником магнитного поля служило
кольцо диаметром 20 мм, по которому протекал постоянный ток 5,7 А. Под слоем порошка
размещалась измерительная катушка, состоящая из 10 витков диаметром 20 мм, сигнал с которой
фиксировался цифровым осциллографом С9−8. Типичная осциллограмма представлена на рис. 3.
Она соответствует эксперименту № 3.
0,2
0,15
0,1
0,05
0
-0,05
3,00E-06
5,00E-06
7,00E-06
t, с
Рис. 3. Осциллограмма эксперимента
В работе использовались порошки алюминия, алюминиевого сплава 2024, меди и бронзы. Для
нахождения u* из осциллограммы, численно решалась задача о наведении ЭДС индукции в изме–
рительной катушке движущимся коаксиальным токовым витком. Начальные условия соответ–
ствовали реальным экспериментам. На рис. 3 сплошной линией обозначена расчетная ЭДС от
времени для скорости u* = 840 м/с. Результаты экспериментов приведены в таблице 1.
Таблица
№
Материал порошка
Размер частиц, мкм
u* , м/с
u0 , м/с
Rem
u* / u0
1
Алюминий
36÷63
520
1700
7
0,33
2
Сплав 2024
36÷63
580
1700
7
0,34
3
Медь
100
840
1200
2
0,71
4
Бронза
100÷150
610
900
3
0,67
Здесь Rem ≈ µ0 σDδ , δ  ширина фронта, по порядку величины равная размеру частиц
порошка, (частицы медного порошка имели внутреннюю структуру с характерным размером
фрагмента ∼10 мкм, поэтому при оценке Rem в качестве характерного размера выбиралось именно
эта величина) σ  проводимость материала, D  скорость ударной волны, измеренная по
осциллограмме, ρ0  начальная плотность порошка. Скорость u0 оценивалась из соотношения на
скачке ρ0 D = ρ( D − u0 ) , где ρ считалось равной плотности монолитного материала. Из таблицы
видно, что с уменьшением Rem значение u* приближается к значению массовой скорости.
Например, для порошков с высоким значением проводимости (медь) данная методика определения
массовой скорости может использоваться при характерном размере фракции ∼35 мкм. Для таких
же материалов, как титан, проводимость которого примерно в 30 меньше, методика применима
вплоть до размеров частиц ∼100150 мкм.
Исследование параметров взрывного компактирования методом возмущения магнитного поля
Заметим, что значение u* несет информацию о внутренней структуре фронта ударной волны.
Исследуя зависимость u* от размера частиц при неизменных параметрах нагружения, возможно
получить распределение массовой скорости во фронте ударной волны.
Литература
1. В.В. Пай, И.В. Яковлев, Г.Е. Кузьмин. Исследование ударного сжатия пористых сред невозмущающим электромагнитным методом // Физика горения и взрыва.  1996, т. 32.  № 2. 
С. 124170.
2. В.В. Пай, Я.Л. Лукьянов, И.В. Яковлев, Г.Е. Кузьмин. Изменение магнитного поля в металлической порошковой среде при ее взрывном компактировании. // Физика горения и взрыва.  2000,
т. 36.  № 6.  С. 164170.