【摘 要】
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地壳的不同深度处都存在着流体,这些流体的存在被认为在很大程度上控制着地球的岩浆作用、地震波的传播、矿石的演变甚至是板块漂移作用。金属铝作为地壳中含量仅次于氧和硅的金属元素,研究其粘性系数对探索地球内部地震波的传播过程以及地球内部的流变性质具有十分重要的意义。到目前为止,人们对极端条件下物质的粘性进行了一些研究,其中分子动力学计算得到的各类金属及其化合物的粘性系数数量级通常在10-3～10-2Pa·
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地壳的不同深度处都存在着流体,这些流体的存在被认为在很大程度上控制着地球的岩浆作用、地震波的传播、矿石的演变甚至是板块漂移作用。金属铝作为地壳中含量仅次于氧和硅的金属元素,研究其粘性系数对探索地球内部地震波的传播过程以及地球内部的流变性质具有十分重要的意义。到目前为止,人们对极端条件下物质的粘性进行了一些研究,其中分子动力学计算得到的各类金属及其化合物的粘性系数数量级通常在10-3～10-2Pa·s;以落球法为代表的静高压实验测量得到材料的粘性系数数量级同样处于10-3～10-2Pa·s;而地学中利用大地水准面等方法推算出地质材料的粘性系数数量级约为10-22Pa·s。由于不同方式所获得的粘性系数存在巨大的差异且没有规律性的认识,因此进一步探究物质在高温高压条件下的粘性变化规律十分必要。本文基于飞片碰撞扰动实验,利用几何相似法研究高温高压条件下金属铝的剪切粘性。在实验上,完善电探针测量技术,提高电压信号判读精度;改进样品和探针之间的绝缘方法以尽量减小二者之间的间隙;更换电阻、电容等元件以降低电路电感对信号的影响。在理论上,利用二维流场数值解分析不同实验条件下样品中的正弦形扰动冲击波衰减过程,并分析初始流场、剪切粘性、强度效应、扰动波长及几何相似比等因素对扰动振幅演化的影响,进而科学合理地设计实验样品的几何尺寸和分析样品在冲击高压下的剪切粘性。利用改进后的实验装置成功地获得了61-88 GPa压力下样品铝中冲击波阵面的演化情况,测得其扰动衰减曲线的零幅点值。结合数值分析得到的零幅点值与金属铝的剪切粘性之间的定量化关系,确定了在61 GPa、64 GPa、75 GPa、83 GPa和88 GPa冲击压下铝的等效剪切粘性系数为3500±50 Pa·s、3080±50 Pa·s、4200±60 Pa·s、5520±60 Pa·s、6750±70 Pa·s,显然,金属铝的等效剪切粘性系数随冲击压力的升高而增大。比较具有几何相似性的样品中的冲击波扰动衰减情况,冲击压力61 GPa和76 GPa时,扰动衰减曲线零幅点的相移值分别为0.1082和0.0679,利用一定压力下相移值与材料剪切粘性系数之间的定量化关系可分析得到金属铝的剪切粘性系数分别为1850±300 Pa·s和2000±300 Pa·s。利用几何相似法获得的铝的剪切粘性系数明显低于常规飞片碰撞扰动方法的结果,所以在材料熔化前,强度效应对其冲击波扰动振幅的影响不容忽视。
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