Page 34 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 杨 鑫，等： 单晶与纳米多晶锡层裂的分子动力学研究 第 2 期

击波会在晶界处反射，并且晶界会吸收一定的冲击波能量，产生塑性变形，这会导致冲击波前沿出现一
定宽度。t = 20 ps 时，稀疏波进一步缩小 Hugoniot 平台，波形尾巴开始拖长；t = 35 ps 时，Hugoniot 平台消
失，波形的压力峰值低于 p ，波形由梯形波变为三角形波，且三角形波的压力峰值（13.0 GPa）略小于
H
Hugoniot 压力（13.5 GPa），即以衰减三角形波抵达自由面。当 u = 1.0 和 1.5 km/s，在 10～20 ps 时，波形
p
由方波变为梯形波；应力波分别以三角波、梯形波抵达自由面。值得注意的是，波形演化过程中的压力
峰值一直保持为 Hugoniot 压力。

18 t=10 ps t=20 ps 45 t=10 ps t=20 pst 80 t=10 ps t=20 pst

16 t=35 ps 40 t=29 ps 70 t=25 ps
14 35 60
12 30 50
p zz /GPa 10 8 p zz /GPa 25 p zz /GPa 40
20
6 15 30
4 10 20
2 5 10
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160 20 40 60 80 100 120 140 160
z/nm z/nm z/nm
(a) u p =0.5 km/s, SC (b) u p =1.0 km/s, SC (c) u p =1.5 km/s, SC
18 t=10 ps t=20 ps 45 t=10 ps t=20 pst 80 t=10 ps t=20 pst
16 t=35 ps 40 t=29 ps 70 t=25 ps
14 35 60
12 30 50
p zz /GPa 10 8 p zz /GPa 25 p zz /GPa 40
20
6 15 30
4 10 20
2 5 10
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160 20 40 60 80 100 120 140 160
z/nm z/nm z/nm
(d) u p =0.5 km/s, NC (e) u p =1.0 km/s, NC (f) u p =1.5 km/s, NC

图 3 不同冲击速度下应力波（p zz ）波形演化过程
Fig. 3 Evolutionary processes of stress wave (p zz ) profiles at different shock velocities
综上所述，在单晶 Sn 模型中，波形演化规律与冲击速度无关，其演化规律为方波→梯形波。在纳米
多晶 Sn 模型中，波形演化规律与冲击速度有关，具体为：u = 0.5 和 1.0 km/s 时，波形变化规律为方
p
波→梯形波→三角波；u = 1.5 km/s 时，波形变化规律为方波→梯形波。另外，需要说明的是，相对方波
p
（ 即 稳 态 冲 击 波 ） 而 言 ， 不 管 卸 载 稀 疏 波 能 否 追 赶 上 冲 击 波 波 头 ， 梯 形 波 和 三 角 波 都 应 为 衰 减 冲
击波。
从材料结构而言，单晶与纳米多晶材料的区别在于晶界。当 u = 0.5 和 1.0 km/s 时，应力波波形受晶
p
界影响，而 u = 1.5 km/s 时，应力波波形则不受晶界影响。从材料物态而言，在加载阶段，u = 0.5 和
p p
1.0 km/s 对应材料的固态，u = 1.5 km/s 时对应液态。根据波形变化规律，可知固态对波形变化有重要影
p
响，而液态对波形基本上无影响。可见，固态下晶界对波形变化有重要影响，而液态下波形演化与晶界
无关，因为晶界和晶粒已经熔为一体。
2.3 应力波剖面与原子结构的关系
为 进 一 步 探 讨 冲 击 波 波 形 与 原 子 结 构 之 间 的 关 系 ， 分 别 选 取 了 单 晶 和 纳 米 多 晶 S n 在 u p =
0.5 km/s 和 t = 32 ps 时的压力波形和原子结构进行对比，如图 4 所示。
在图 4(a) 中，可以观察到原子结构图中应力波波阵面后方出现了体心立方（BCC）结构，该晶格变形
区域对应着波形的 Hugoniot 平台和部分卸载波形。然而，在单晶 Sn 模型中基本上未发现位错产生。在
应力波剖面图中，可以发现波形呈现梯形波，波前沿（波形蓝色部分）比较陡峭，没有出现明显的双波结
构（弹性前驱波和塑性波）。其原因可能是由于发生晶格变形的原子较少和无位错的形成，导致无法观

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