Page 197 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 贾 果，等： 适用于激光驱动方式的金属粉末冲击压缩特性实验技术 第 7 期

疏松材料（也称多孔材料）是一种典型的非致密态物质，具有泡沫态、颗粒态及气溶胶态等状态。凭
借独特的能量耗散机制与输运特性（高透射率、高能量吸收率、良好的绝热性能等），疏松材料在天体物
理演化、惯性约束聚变（inertial confinement fusion, ICF）黑腔设计、冲击防护工程等关键领域具有重要应
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用价值。以 ICF 黑腔 X 射线转换效率优化为例，低密度泡沫衬层（密度约为 0.1 g/cm ）可通过调控光子
输运路径使转换效率提升 15%～20%；在粉末冶金领域，金属/氧化物粉末（如 Fe/Al O ）经冲击压缩合成
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可制备出屈服强度大于 2 GPa 的新型梯度材料 [1-10] 。
疏松材料的本构特性显著区别于致密固体，孔隙塌陷主导的耗散机制导致体积模量呈现负向响应，
即其压缩过程在低压区吸能膨胀，进而出现密度降低的反常现象。通过调控疏松材料的初始孔隙率
（10%～90%），可在同一物质体系中实现密度跨度达多个数量级（0.1～10 g/cm ）的状态参数覆盖，这为极
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端条件下研究完全状态方程和理论模型的外推提供了理想实验载体。
[4]
粉末状态方程的研究始于 20 世纪 60 年代左右 。一些理论研究开发了连续压实分析模型，该模型
能够很好地表征延性多孔材料在受到平面冲击波载荷时的宏观响应 [11-12] 。在弹塑性领域，多孔材料的颗
粒尺寸、孔隙率和其他内在属性的描述通常是利用等温压缩技术来实现的,这些方法有助于制定相关的
数值模型，如常见的 p-α 模型 [13] 和 p-λ 模型 [14] 。这些模型经常基于 Mie-Grüneisen 状态方程的半经验
方法，利用已知的真实致密状态的 Hugoniot 曲线，通过等容压缩确定相应松散物质的冲击压缩状态 [15-17] 。
然而，大多数模型都包含一个或多个经验拟合参数。通常，这些参数与可测量的物理性质缺乏直接相关
性，主要用于增强模型与实验数据的一致性，这种适应性使该模型能够熟练地描述特定粉末系统的冲击
致密化过程。因此，在低压状态下，模型的计算预测相对精确，但是在 200 GPa 以上的压力范围，理论结
果与实验结果开始发生偏差 [18-19] 。Liu 等 [20] 针对该问题，研发了 WEOS 模型，实现了偏差的修正。但在
高温高压区域，理论主要围绕托马斯-费米 (Thomas-Fermi，TF) 模型描述高温电子项的贡献，但由于高压
区的实验数据较少 [21-22] ，不能较好地支持理论精细建模的需要，亟需发展高压数据的获取技术。粉末颗
粒材料一般没有固定几何形状，为了可精密表征粉末厚度与密度，常规手段往往使用较深的容器进行粉
末的装填，如采用气炮或者 Z 装置开展的相关研究 [23-24] ，这也导致获得千万大气压以上的冲击压缩特性
参数存在困难。激光装置可在纳秒时间输出较高的功率，是实现材料内部高压状态的重要手段，因此，
如何在激光驱动方式下，突破微型薄靶的研制技术成为获取粉末高压区数据的重要研究内容。
本文中介绍一种基于激光驱动方式对金属粉末材料开展强冲击加载的状态方程实验方法。在解决
粉末材料不均匀和无固定几何形状的技术困难的同时，利用轮廓仪配合三维成像技术实现实验用靶参
数的精准测量与监控，获得铜粉材料 200～1 400 GPa 压力范围内状态方程数据，并验证该方法在极端条
件物性研究中的有效性。

1 实验方法

1.1 实验用靶构型设计
基于高功率激光驱动方式，采用阻抗匹配的方法开展实验研究，以石英作为标准材料 [23] 。参考
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Weck 等 [22] 在 Zr 装置上开展 CeO 粉末状态方程实验研究所使用的技术，采取了石英微孔加工工艺，有
别于 Weck 实验中 40 和 600 μm 的粉末填充厚度，通过精密加工在 30 μm 厚石英片上制备通孔，并采用
1 mm 厚石英平板进行基底复合，构建出微型粉末装载的“容器”，最终通过上层石英盖板的封装形成
石英-粉末阻抗匹配靶型，如图 1 所示。
由于挖孔石英层与石英基底层之间采用了粘贴工艺，不可避免地引入了胶水层，虽然胶水层的厚度
可以控制在 1～3 μm，但相对于 30 μm 的粉末材料厚度，其相对占比仍不可忽视。靶物理设计通过局部
镀膜解决了胶水对石英和粉末厚度测量的影响。如图 1 所示：在挖孔石英层的底部进行镀膜，在孔的边
缘约 250 μm 的范围蒸镀了铝膜，如图 2 所示，同时在石英基底层上表面对应区域设置镀膜层，在显微系
统下进行精准对位和涂胶，确保胶层仅存在于 250 μm 镀膜区域下方且粉末“容器”的底部无胶水。该

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