Page 21 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 张鸿宇，等： 颗粒靶体撞击溅射行为研究进展 第 12 期

1 溅射幕的形成过程及描述方法

1.1 溅射幕的形成过程
在撞击成坑和溅射过程中，颗粒靶体的主要变形模式为剪切变形 [65] 。根据变形主导因素的不同，撞
击坑和溅射幕的形成过程可进一步划分为由重力主导以及由靶体强度主导 2 类 [62, 66] 。
岩土力学中常用的摩尔-库伦屈服准则可以表示为：
τ = c+ρghtanφ (1)

τ 为滑移面的切应力；c 为材料的内聚力，对于颗粒靶体，内聚力可反映材料的黏性，同时也可体现
式中：
细观颗粒间相互作用的强弱；ρ 为靶体密度；g 为重力加速度；h 为特征深度，在撞击成坑问题中代表撞击
φ 为颗粒靶体的内摩擦角。第 项中的 反映上层靶体对下层产生的围压。
坑深度； 2 ρgh
由式 (1) 可知，当靶体材料的内聚力 c 远大于上层靶体对下层的围压时，撞击过程由靶体强度因素
主导，所产生的溅射物通常具有较高的溅射速度，并且在靶体强度的影响下，成坑过程先于溅射幕的扩
展运动停止，导致溅射沉积物散布远离撞击坑边缘。反之，若撞击过程由重力因素主导，瞬态撞击坑的
扩展与溅射幕运动不会出现明显的分离，促使溅射物沉积时散布于撞击坑周围，并且厚度随与撞击坑边
缘距离的增大而逐渐减小 [65] 。目前，深空探测任务发现的撞击坑分析结果显示，大多数撞击坑的形成过
程由重力因素主导。但需要注意的是，若撞击发生在小行星表面，微重力环境将可能导致强度项的影响
超过重力项，成坑和溅射过程转变为由强度因素主导 [67] ，这将为相关地面模拟实验初始条件的设置带来
困难。
在不同因素主导下，撞击成坑和溅射的具体形成过程主要包括接触压缩阶段、开坑阶段以及溅射物
沉积阶段。地面模拟实验通常采用超高速撞击和低速撞击 2 种方式。
1.1.1 颗粒靶体的超高速撞击
颗粒靶体的超高速撞击过程可分为接触压缩、开坑和溅射物沉积 3 个阶段。

(1) 接触压缩阶段。如图 4 [17] 所示，撞击体 Impact site
接触并压缩靶体表面，将能量和动量传递至靶 Ballistic ejecta Release wave
体，在两者接触面的边缘处可形成初始高速运动
的溅射物。同时，在冲击作用下，撞击体和靶体 Shock wave
内部均形成冲击波，其中波前和波后分别对应于
未受压缩和受压缩的材料。当撞击体内部冲击 Target
波传播至其自由表面时，将反射稀疏波，该波回 图 4 接触压缩阶段压缩波与稀疏波的传播示意图 [17]
传并卸载被压缩的撞击体材料，在此过程中可能 Fig. 4 Propagation of compression and rarefaction waves
伴随撞击体的破碎和相变 [68] 。当其继续传播至 during contact compression [17]
[17]
撞击体与靶体的接触面时，接触压缩阶段结束 。 Uplifted transient
Vapor Excavated melt cavity rim
(2) 开坑阶段。如图 5 [17] 所示，破碎的撞击
Original ground
体碎片以近球形分布并继续向靶体内部侵入，在 level
此过程中，部分靶体发生熔化和气化。在靶体内 Excavation flow lines Limit of transient cavity
部，冲击波以半球形向深层传播，强度随传播距
图 5 开坑阶段靶体中的熔化气化区域、
离的增大不断衰减成为塑性波，并最终转变为弹 流场流线以及瞬态空腔 [17]
性波。冲击波通过后，材料处于运动状态并沿半 Fig. 5 Melting/vaporization zone, flow streamlines, and transient
球形径向运动。当沿半球形传播的冲击波到达 cavity in the target during the cratering stage [17]
靶体表面时，将反射稀疏波卸载受压缩的靶体材料，从而形成开坑流场并产生瞬时空腔 [17, 69] 。近表面的
开坑流场驱动靶体形成溅射幕脱离瞬时空腔，而深层开坑流场则驱动靶体材料向更深处运动。当靶体
的剩余能量不足以抗衡材料强度和重力继续扩大瞬态撞击坑时，开坑阶段结束。

121101-4