Page 5 - 《爆炸与冲击》2026年第11期

第 46 卷 黄海军，等： 氟化铅高压声速研究：高阻抗标准窗口的发现 第 11 期

也能够根据液体的声速数据确定 [9-10] 。此外，在地球科学领域，探究地球内部成分的最可靠方法之一，是
在极端条件下测量候选矿物的声速，并与地震波观测数据进行对比分析 [11-15] 。
受样品尺寸的限制，目前仍无法在磁驱动压缩装置和激光加载压缩装置上开展高精度声速测量实
验，冲击加载条件下的声速实验研究主要依托二级气体炮实验装置。在该装置上，测量材料声速的方法
主要有 2 种，分别是光分析技术和透明窗口反向碰撞技术。在光分析技术中，样品需为台阶状，且样品
后界面紧密贴合窗口材料。在早期实验中，通常使用三溴甲烷或含铅玻璃作为窗口材料，这些材料在常
温常压下具有良好的透明性，但在冲击压缩条件下失去透明性，且呈现出黑体辐射特征，因此这类窗口
[1]
也称为黑体窗口 。该技术的基本原理如下：飞片与样品撞击后，会在飞片和样品内产生 2 个传播方向
相反的冲击波；样品中的冲击波传播至窗口时，其内部温度会急剧升高，此时高温计可观测到光谱辐射
亮度突然升高并保持恒定。当飞片内的冲击波传播至其后界面时，会生成一个中心稀疏波，稀疏波的波
头以声速在飞片和样品内传播。当稀疏波在窗口内追赶上冲击波时，高温计会观测到黑体窗口的辐亮
度出现明显下降。由于样品厚度与稀疏波在窗口内追赶上冲击波的时间差呈线性关系，外推时间差为
零时，即可确定稀疏波在样品内恰好追上冲击波阵面的位置（即追赶厚度），据此得到样品的声速。随着
激光测速仪的问世与应用，后续研究采用氟化锂（LiF）窗口替代传统黑体窗口，通过测量样品/窗口界面
的粒子速度变化，反演追赶厚度 [13, 16] 。光分析技术的优势在于：当飞片为高阻抗材料时，可实现较高压力
下的声速测量。但它也存在明显不足：实验装置比较复杂，在样品窗口界面处，波的相互作用过程复杂，
导致相对测量误差较大。此外，近期研究发现，如果材料表现出准弹性释放效应，会导致使用光分析技
术获得的声速测量结果存在较大偏差 [16] 。
与光分析技术相比，透明窗口反向碰撞技术的实验装置相对简单。该技术的基本原理是将样品作为
飞片，直接撞击光学窗口 [2,17] 。此时，在样品和窗口内部会产生 2 个传播方向相反的冲击波。若窗口材料在
冲击加载下保持透明状态，激光测速系统会观测到样品/窗口界面的粒子速度突然上升，并保持不变。当样
品中的冲击波传至样品后界面时，会产生 1 个中心稀疏波；当稀疏波到达样品/窗口界面时，界面粒子速度
会逐渐降低。根据稀疏波在样品中的传播时间以及样品厚度，可以精准测量在冲击加载下材料的声速。
透明窗口反向碰撞技术的核心要求是，窗口在冲击压缩下必须保持透明状态。相关研究表明，当冲
击压力超过 100 GPa 时，仅有 LiF 单晶能保持良好的透明度 [4, 18] 。该技术的显著优势在于实验装置和波
的相互作用过程相对简单，因此利用该方法测量声速的精度极高。然而，由于 LiF 的冲击阻抗比较低，即
使样品的速度很高，实验可实现的冲击压力依然较低。为突破这一局限，寻找高阻抗透明窗口材料，学
者们对 Gd Ga O 、Al O 、LiTaO 和 3 MgAl O 等多种材料在冲击加载下的透明性开展了系统研究，但研
4
3
2
2
3
5
12
究结果表明，上述材料均无法满足高阻抗与冲击透明性的双重要求 [19-24] 。
为解决上述问题，本研究提出采用灰体窗口反向碰撞技术测量材料在冲击加载下的声速。该方法

的实验装置与透明窗口反向技术基本相同，仅将 80
透明窗口替换为灰体窗口。为实现较高的冲击 70 PbF 2 [25] [21]
Sapphire
压力，窗口材料需具备高阻抗特性（阻抗 Z=ρ D , 60 Sapphire [26] [28]
Lead glass
0
s
其中 ρ 为初始密度，D 为冲击波速度）；同时，在 50 LiF [25] [10]
0
s
Liquid silica
高压范围内保持结构稳定性，以确保声速随冲击 Impedance/(g·cm −3 ·km·s −1 ) 40
压力呈单调变化。经过大量对比分析，认为氟化 30
铅（PbF ）能够满足上述基本要求 [25] ：首先，它在 20
2
高压下的阻抗显著高于液态二氧化硅（SiO ） [10] 、 10
2
[28]
[27]
蓝宝石（Al O ） [21,26] 、LiF 、铅玻璃（ZF6） （图 1）； 0 1 2 3 4 5 6
2
3
其次，沿着 Hugoniot 线，PbF 在约 56 GPa 时熔 Particle velocity/(km·s )
−1
2
化，因此在高压下能够保持稳定的相结构。然 图 1 窗口材料的阻抗随粒子速度的变化 [10,21,25-26,28]
而，目前尚未发现有关该窗口材料在冲击加载下 Fig. 1 Impedance of window materials varying
的声速数据报道。 with particle velocity [10,21,25-26,28]
111001-2