張抑揚(yáng), 陳森, 蔡洋, 盧磊, 范端, 史進(jìn)春,*, 黃俊宇,*, 羅勝年

1. 引言

含能材料儲存了大量化學(xué)能，會在熱或力刺激下快速釋放[1–4]。依據(jù)儲存的化學(xué)能及其釋放速率，含能材料通常分為炸藥（起爆藥或二級炸藥）、推進(jìn)劑和煙火劑等[3,5]。來自軍民應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究的廣泛需求推動了對含能材料的持續(xù)興趣[6]。對含能材料力學(xué)、物理和化學(xué)的深入理解不僅有助于預(yù)測和控制其性能，也有助于解決含能材料日益增長的環(huán)境和安全問題 [1,7]。

含能材料在制備、加工或外刺激（如沖擊壓縮）過程中的熱力學(xué)、物理和化學(xué)過程跨越多個(gè)時(shí)空尺度[6,8]。在制備和加工中產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)（晶格缺陷、空洞、裂紋、界面等）涵蓋亞納米到毫米尺度[9,10]，并影響含能材料對外刺激的響應(yīng)以及隨后的化學(xué)動力學(xué)和宏觀性能[11,12]。在熱力刺激下，這類微結(jié)構(gòu)所在區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)變、應(yīng)力或熱量局域化，誘發(fā)局部化學(xué)反應(yīng)（熱點(diǎn)）[13–16]。在外刺激下，含能材料的力學(xué)和物理過程（塑性變形[17,18]、相變[19,20]和熱點(diǎn)形成等）和化學(xué)過程（化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)[12,21]和固態(tài)碳形成[22,23]）跨越飛秒到微秒時(shí)間尺度，涵蓋單分子到微米晶格或更大的空間尺度。沖擊化學(xué)起爆通常發(fā)生在分子水平和亞皮秒尺度[15,24–28]；而介觀尺度上，沖擊波波陣面作用于含能材料的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生相變和熱點(diǎn)；沖擊轉(zhuǎn)爆轟（SDT）[29]則發(fā)生在宏觀尺度。用于模擬含能材料外刺激的典型加載形式包括激光燒蝕、平板沖擊、分離式霍普金森桿、激波管燃燒和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，其時(shí)間尺度分別為100 fs [30,31]、100 ns [32–34]、100 μs [35,36]、10 ms[37,38]和100 s。鑒于含能材料在生命周期不同階段的多時(shí)空尺度，可靠的工程仿真必須訴諸包含多尺度結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)動力學(xué)的物理預(yù)測模型[6,7,39]，而該模型亟需時(shí)空分辨的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

雖然含能材料的靜態(tài)[9,40–42]或宏觀[18,34]表征比較常見，但在微介觀和匹配的時(shí)間尺度上表征材料結(jié)構(gòu)及物理和化學(xué)動力學(xué)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。由于外刺激下含能材料的物理和化學(xué)過程常發(fā)生在極端條件下[6,18,33]，診斷技術(shù)應(yīng)該具有無損、可穿透性和高時(shí)空分辨率等特性。常規(guī)技術(shù)如折射率匹配光學(xué)顯微鏡[43]、激光共聚焦掃描顯微鏡[44]、偏振光學(xué)顯微鏡[33]和掃描電鏡[45]等僅能提供表面測量，因此需要補(bǔ)充具有穿透能力和適當(dāng)時(shí)間分辨率或能提供其他額外信息的診斷技術(shù)。X射線源、太赫茲（THz）源、探測器以及光譜和成像系統(tǒng)[46,47]的顯著進(jìn)步為解決含能材料診斷難題提供了機(jī)會。例如，先進(jìn)同步X射線源[46,48]和X射線自由電子激光（XFEL）[49,50]產(chǎn)生飛秒和皮秒脈沖，能夠以前所未有的高時(shí)空分辨率解析含能材料的結(jié)構(gòu)以及物理和化學(xué)動力學(xué)。

本文中，我們簡要回顧了一些新興的或已存在但較少應(yīng)用于含能材料的新型診斷技術(shù)。針對的科學(xué)問題和工程難題包括缺陷、強(qiáng)度[51]、變形[18]、熱點(diǎn)、相變、反應(yīng)和沖擊感度[52,53]。本文著重討論了這些診斷技術(shù)的時(shí)空分辨能力。此外，本文介紹了測試和數(shù)據(jù)分析的基本原理并用示例加以說明。在第2部分，我們介紹了二維（2D）和三維（3D）X射線成像技術(shù)，包括X射線相襯成像（PCI）、X射線斷層掃描（CT）、X射線衍射（XRD）、相干衍射成像（CDI）、X射線小角散射（SAXS）。第3部分介紹了THz和光學(xué)吸收/發(fā)射光譜，包括THz吸收光譜、高溫計(jì)和激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）以及超快成像干涉技術(shù)，超快成像干涉技術(shù)又分為一維和二維任意反射面速率干涉系統(tǒng)（VISAR）和瞬態(tài)成像位移干涉儀（TIDI）。第4部分對全文進(jìn)行了總結(jié)。

2. X 射線診斷方法

高亮度、高相干性、高重頻和短脈沖的先進(jìn)同步輻射裝置和X射線自由電子激光可原位、實(shí)時(shí)和多尺度測量多種材料體系和過程[49,50,54,55]。常見的X射線診斷方法包括實(shí)空間成像、倒易空間衍射和散射以及譜學(xué)。X射線譜學(xué)不在本文討論范圍之內(nèi)，在此不予討論。

不同X射線診斷方法涵蓋不同的空間尺度，因此具有不同的空間分辨率。圖1（a）展示了三種X射線診斷方法：成像（包括PCI和CT）、散射（包括SAXS）和XRD。它們的典型空間尺度分別為微米到亞微米、1～100 nm和晶格尺度（?）[46,56]。CDI通過在傅里葉空間進(jìn)行相位檢索，可以實(shí)現(xiàn)亞納米尺度的空間分辨率。這樣一系列X射線診斷方法使得在多空間尺度上對含能材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征成為可能。

對單脈沖同步輻射X射線測量來說，同步輻射的射頻信號可以作為主時(shí)鐘，來對四個(gè)關(guān)鍵組成部分即加載設(shè)備、X射線快門、X射線脈沖序列和探測器進(jìn)行同步[46]。其中的時(shí)間特性，即X射線的脈沖寬度和脈沖間隔取決于電子束填充的時(shí)間結(jié)構(gòu)。圖1（b）的內(nèi)插圖展示了一種先進(jìn)光源的標(biāo)準(zhǔn)填充模式：脈沖寬度約為80 ps，脈沖間隔為153.4 ns。相應(yīng)地，X射線測量的最高時(shí)間分辨率受到脈沖寬度限制，約為百皮秒，而幀頻則被脈沖間隔所限制。相對來說，自由電子激光實(shí)驗(yàn)中最高時(shí)間分辨率能達(dá)到10～100 fs，而最短脈沖間隔在直線加速器相干光源（LCLS）、LCLS-II和歐洲自由電子激光分別為10 ms、1 μs和220 ns。對于微秒級的時(shí)間分辨率，同步輻射填充模式的時(shí)間結(jié)構(gòu)變得無關(guān)緊要，X射線可以視為連續(xù)光，而時(shí)間分辨能力可以通過探測器的電子快門實(shí)現(xiàn)。利用不同的時(shí)間分辨率，我們能在多個(gè)時(shí)間尺度和空間尺度上探討含能材料中的物理和化學(xué)過程。

含能材料在不同的刺激或載荷下會經(jīng)歷不同的加載率、加載時(shí)間、應(yīng)力條件以及溫度環(huán)境。這些外刺激或加載包括激光、氣炮、分離式霍普金森桿、材料試驗(yàn)機(jī)（MTS）和激波管等。圖1（b）以氣炮加載為示例[57]，展示了基于同步輻射的多種原位實(shí)時(shí)多尺度X射線測量技術(shù)[56]。氣炮發(fā)射的彈丸撞擊含能材料靶材，引發(fā)物化反應(yīng)，再通過X射線成像和衍射以及光學(xué)測速儀進(jìn)行探測。氣炮加載下的事件持續(xù)時(shí)間為100～1000 ns，因此需要進(jìn)行單脈沖X射線探測。

2.1. X 射線相襯成像與數(shù)字圖像相關(guān)

基于波傳播的相襯成像（PCI）可同時(shí)提取X射線束的相位信息以及材料對X射線的衰減信息[58,59]。具有非均勻相位的物體會引起X射線相位?(x, y)和透射波陣面局部曲率的空間變化。這種波陣面在傳播和干涉過程中產(chǎn)生的強(qiáng)度變化與其相位分布?(x, y)的拉普拉斯變換成正比，從而產(chǎn)生邊緣增強(qiáng)效應(yīng)[58]。

因此，PCI特別適用于含能材料這類低密度材料的高分辨率成像。如今，基于同步輻射和XFEL的先進(jìn)X射線PCI可以實(shí)現(xiàn)動載下物體內(nèi)部變形、損傷和反應(yīng)動力學(xué)的原位實(shí)時(shí)觀測，時(shí)間分辨率分別可達(dá)100 ps[46,56]和10～100 fs [49,50]。

聚合物黏結(jié)炸藥（PBX）是目前應(yīng)用最廣泛的鈍感高能炸藥[33,60]。PBX在晶體內(nèi)部、晶體與黏結(jié)劑界面處、部分溶解的晶體黏結(jié)劑混合區(qū)或者黏結(jié)劑內(nèi)部都存在大量缺陷，這些缺陷可能誘導(dǎo)熱點(diǎn)成核[13,14]，并引發(fā)異常條件下的爆燃或爆轟。因此，高速同步輻射X射線PCI被用來表征動載下PBX的變形和破壞，動載包括超聲[35]、分離式霍普金森桿（SHPB）[35,61]和氣炮[62,63]等。其中時(shí)間和空間分辨率分別可達(dá)約1 μs和1～10 μm [46,48]。圖2（a）顯示了一種顆粒載量較低的HMX基PBX炸藥樣品在SHPB加載下的相襯成像照片。得益于邊緣增強(qiáng)，PCI可以清楚分辨密度相似的晶體顆粒和聚合物基體。高分辨率的成像照片揭示了晶體顆粒與基體間脫黏（95 μs處）以及顆粒破碎（240 μs處）等破壞機(jī)制。

圖1. X射線的原位多尺度測量。（a）XRD、SAXS/CDI和PCI/CT技術(shù)的示意圖。圖示為XRD、SAXS和數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）的典型數(shù)據(jù)。這里，qx和qy是倒易空間基矢，x和y是實(shí)空間基矢。（b）結(jié)合（a）中所示X射線成像和衍射/散射診斷技術(shù)的氣炮加載實(shí)驗(yàn)裝置以及光學(xué)干涉儀系統(tǒng)[多普勒針系統(tǒng)（DPS）]。加載裝置也可以換成材料試驗(yàn)機(jī)（MTS）、分離式霍普金森桿、激光、磁驅(qū)和激波管等。內(nèi)插圖：典型的同步輻射填充模式的時(shí)間結(jié)構(gòu)。

圖2. （a）PBX在SHPB壓縮下的X射線相襯成像圖集；（b）鋁板中孔洞生長過程的X射線相襯成像圖集；（c）相應(yīng)的拉格朗日剪切應(yīng)變（E12）和拉伸應(yīng)變（E11）場。（a）在AIP Publishing ?2016許可下摘自文獻(xiàn)[35]；（c）在AIP Publishing ?2014許可下摘自文獻(xiàn)[65]。

含能材料的應(yīng)變測量，可以揭示應(yīng)變局域化和機(jī)械能沉積區(qū)的位置和特征，對理解熱點(diǎn)形核至關(guān)重要。微觀結(jié)構(gòu)（如PBX中晶體顆粒）的X射線投影圖可以提供天然散斑，用于相關(guān)分析來追蹤物體位移和應(yīng)變場[64–66]。X射線數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）的計(jì)算原理和程序與傳統(tǒng)光學(xué)DIC相似[67]；但是得益于相襯成像，X射線DIC可以提供更?。?0 μm或更?。┑陌唿c(diǎn)和更高的空間分辨率（10 μm或更高）[68]，其可用于獲取局部小區(qū)域（如顆?；w界面）的變形動力學(xué)過程。當(dāng)物體內(nèi)部特征（如炸藥的晶體顆粒）可通過PCI產(chǎn)生天然散斑的時(shí)候，X射線DIC相比光學(xué)DIC更具優(yōu)勢[57,69]，在研究內(nèi)部變形上也比光學(xué)DIC具有更高的空間分辨率。而且光學(xué)DIC僅限于低溫，在爆轟極限附近無法使用。X射線DIC可以根據(jù)散斑的制備方式來靈活選擇測量表面還是內(nèi)部變形場，并為2.5維應(yīng)變測量開辟了新思路。此外，X射線DIC還可以與X射線衍射相結(jié)合，揭示晶格尺度的變形機(jī)制[48,57]，詳見第2.4節(jié)。

圖2（b）、（c）展示了首次發(fā)表的X射線DIC的研究范例，其測量了動態(tài)拉伸加載下鋁板內(nèi)預(yù)設(shè)孔洞周圍的應(yīng)變場[64]。圖中顯示，隨著載荷增加，拉格朗日拉伸（E11）和剪切（E12）應(yīng)變集中區(qū)在孔洞周圍成核和長大，其位移和應(yīng)變誤差分別低于0.01像素和0.01%。

2.2. 原位CT、動態(tài)CT 和細(xì)觀有限元建模

基于實(shí)驗(yàn)室或同步輻射X射線光源的CT裝置是一個(gè)獨(dú)特的工具，可對各種材料[70–72]包括含能材料[10,43,73,74]的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維無損表征[66,75,76]。隨著X射線源的快速發(fā)展，原位CT在解決力學(xué)加載（如制備、運(yùn)輸或壓胚過程）過程中炸藥或模擬炸藥的變形和破壞問題上應(yīng)用越來越廣泛[75–78]。各種微型加載設(shè)備（如微型MTS）被設(shè)計(jì)出來并應(yīng)用于原位CT掃描[71,72]。雖然臺式CT機(jī)也可用于原位實(shí)驗(yàn)，但同步輻射CT通常在穿透力、時(shí)間和空間分辨率等綜合性能上更優(yōu)[72]。圖3（a）展示了一個(gè)顆粒柱在壓縮加載下的CT表征結(jié)果[70]。從三維圖像中可以清楚分辨顆粒旋轉(zhuǎn)和破碎等微觀變形機(jī)制，并與力-位移曲線中的應(yīng)力降吻合。顆粒本身、粒內(nèi)孔隙和裂紋網(wǎng)絡(luò)的三維形貌還可以通過包括旋轉(zhuǎn)張量和分形在內(nèi)的拓?fù)浞治龇椒▉砹炕?[70,79]。

通過數(shù)字體積相關(guān)（DVC）技術(shù)可以從體積圖像序列中計(jì)算出三維位移和應(yīng)變場[72,73,75]。對于PBX樣品，晶體顆粒可作為DVC分析的天然散斑。目前學(xué)界已經(jīng)提出了多種增量DVC算法來進(jìn)行三維變形測量[80]，多種三維相關(guān)準(zhǔn)則也被用于建立參考圖像和當(dāng)前圖像之間的對應(yīng)關(guān)系，這與DIC相似。而為了獲得較高的計(jì)算精度，DVC通常都采用迭代相關(guān)算法。圖3（b）[73]展示了一種模擬炸藥（PBS）通過CT表征的三維結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的DVC分析結(jié)果。結(jié)果表明，PBS試樣中軸向位移場的演化與試樣的非均勻微觀結(jié)構(gòu)以及界面脫黏和顆粒破碎等變形機(jī)制密切相關(guān)。

圖3. （a）顆粒柱在微型MTS壓縮下的力位移曲線以及原位三維圖像，圖像時(shí)刻與曲線上的標(biāo)記相對應(yīng)；（b）1 Hz動態(tài)CT表征的發(fā)泡過程，左圖展示了兩個(gè)代表性時(shí)刻的泡沫三維圖像，右圖是通過PIV得到的氣泡位移場；（c）顆粒材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的三維軸向位移場；（d）基于PBX樣品CT圖像建立的二維有限元模型（左圖）以及兩個(gè)體積應(yīng)變下的最大主應(yīng)變場（右圖）。（a）經(jīng)Elsevier ?2020許可，轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[72]；（c）經(jīng)Elsevier ?2012許可，轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[75]；（d）經(jīng)MDPI ?2017許可，轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[77]。

利用同步輻射光源，CT的時(shí)間分辨率最高可達(dá)約5 ms（即每秒208幀CT成像）[81]。這種快速CT已被應(yīng)用于研究發(fā)泡[81,82]、燒結(jié)[83]和斷裂[84,85]等動態(tài)過程。圖3（c）是在1 Hz幀頻下捕獲的兩個(gè)代表性時(shí)刻的發(fā)泡過程的三維圖像，通過粒子成像測速技術(shù)（PIV）對氣泡的速度場進(jìn)行了量化[86]。這些信息對于了解炸藥顆粒壓實(shí)過程中的堆積動力學(xué)很有意義。雖然亞秒的時(shí)間分辨率還不足以解決瞬態(tài)沖擊或撞擊問題，但動態(tài)CT可以揭示低加載速率下PBX的變形動力學(xué)，也可獲取PBX炸藥在制備和加工過程或者熱分解過程中的空隙產(chǎn)生和流體流動過程[87]。近年來，基于多源多探測器和閃光X射線成像的高速CT系統(tǒng)已經(jīng)被研制出來[88]，時(shí)間和空間分辨率可達(dá)亞微秒和亞毫米，但三維圖的數(shù)量和質(zhì)量仍有待于通過整合更多的X射線源和探測器來提高。高速CT技術(shù)在研究含能材料沖擊起爆方面具有巨大的前景。

動態(tài)CT獲得的PBX炸藥的三維結(jié)構(gòu)可以作為細(xì)觀有限元模型的輸入，同時(shí)還可與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對比以校驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚67,89]。有關(guān)模擬程序、材料模型和材料參數(shù)的具體細(xì)節(jié)[89–91]不在本文的討論范圍。圖 3（d）顯示，細(xì)觀有限元模型可以很好地再現(xiàn)晶體黏結(jié)劑界面脫黏和晶間裂紋擴(kuò)展[67]等機(jī)制。然而，為簡便起見，前人研究中主要采用二維模型，且顆粒數(shù)量有限[67,89]；而能夠充分描述材料宏觀力學(xué)行為的代表性三維體元的合適尺寸還有待研究[67,76]。通過高分辨率三維成像和先進(jìn)圖像處理技術(shù)，具有真實(shí)三維構(gòu)型的細(xì)觀有限元模型是定量研究PBX結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的利器，尤其是針對高應(yīng)變率和熱力耦合加載等工況[20,90]。此外，相變和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)也可以通過用戶子程序如UMAT/VUMAT [92]集成到細(xì)觀有限元模型中。

2.3. X 射線衍射、相干衍射成像和X 射線小角散射

2.3.1. X 射線衍射

X射線衍射（XRD）本質(zhì)上是通過散射的X射線測量有序/無序晶格中原子的電子密度分布。同時(shí)，它也是無損確定晶體結(jié)構(gòu)、相成分、相變及其途徑、晶粒尺寸、織構(gòu)、變形（包括應(yīng)變張量）以及間接測量殘余應(yīng)力和強(qiáng)度等物理量的必不可少的工具。X射線衍射的作用對象包括多晶和單晶固體以及液體等。

例如，單晶和粉末衍射聯(lián)合技術(shù)已被用于研究環(huán)三亞甲基三硝胺（RDX）在常壓和高壓下的性態(tài)結(jié)構(gòu)。RDX自1899年首次合成，現(xiàn)已成為廣泛使用的炸藥類型之一[93]。結(jié)果表明，在常壓下RDX存在穩(wěn)定的α-RDX相和亞穩(wěn)態(tài)β-RDX相，這些晶體結(jié)構(gòu)主要由單晶X射線衍射獲得[94–98]。而金剛石對頂壓砧（DAC）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[19,40,99]，RDX具有復(fù)雜的相圖并且富含多種形態(tài)，包括γ-RDX、δ-RDX、ε-RDX相及最近發(fā)現(xiàn)的ξ-RDX和η-RDX相[100]等。

RDX的靜態(tài)壓縮衍射實(shí)驗(yàn)主要通過DAC完成[40,101,102]。而RDX在沖擊壓縮下的離位和原位X射線衍射實(shí)驗(yàn)都已有開展[103,104]，但后者的數(shù)據(jù)還未見發(fā)表。盡管如此，在同步輻射或X射線自由電子激光上結(jié)合沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)的動態(tài)X射線衍射能力已經(jīng)建立[46,56,105,106]，其在含能材料方面的應(yīng)用興起正當(dāng)其時(shí)。

為驗(yàn)證利用瞬態(tài)X射線衍射（TXD）研究沖擊壓縮下含能材料的可行性，我們開展了單晶（圖4）[102,107]和多晶RDX（圖5）的X射線衍射模擬并用以研究其在平板撞擊下的相變過程、狀態(tài)方程以及強(qiáng)度演化。在模擬中，模型結(jié)構(gòu)在散射矢量q處的衍射強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)因子F(q)及其復(fù)共軛F*(q)的乘積[108,109]，即

和

式中，i表示虛數(shù)單位；rj表示第j個(gè)原子在原子模型中的位置；fj是第j個(gè)原子在q處的原子散射因子。

針對RDX在約4.0 GPa時(shí)的α→γ相變[101,110] [圖4（a）和（b）]，我們根據(jù)典型的同步輻射和X射線自由電子激光光源模擬了相應(yīng)的單晶衍射譜。我們選用先進(jìn)光子源上同步輻射波蕩器光譜（周期為18 mm，間隙為13 mm）的第一個(gè)諧波，其帶寬為8% [圖4（g）]。值得一提的是，波蕩器的帶寬是可調(diào)的，這對單晶衍射來說是一個(gè)優(yōu)勢。相變前后的單晶衍射圖[圖4（c）和（d）]顯示出明顯差異。盡管RDX具有較低的對稱性和較大的晶胞，但單晶衍射實(shí)驗(yàn)的q分辨率對于部分相結(jié)構(gòu)分析也已經(jīng)足夠。對于帶寬為0.1%的X射線自由電子激光，也能獲得用于部分相結(jié)構(gòu)分析的單晶衍射圖譜[圖4（e）和（f）]。

圖4. 基于單脈沖同步輻射和X射線自由電子激光源的沖擊壓縮下RDX單晶X射線衍射模擬。（a）α-RDX的晶體結(jié)構(gòu)[107]。（b）γ-RDX的晶體結(jié)構(gòu)[102]。α-RDX和γ-RDX分別在同步輻射“粉光”源（c）和（d）以及X射線自由電子激光源（e）和（f）下的二維X射線衍射譜。其中，2θ表示衍射角，χ表示衍射矢量投影到衍射屏上的方位角。（g）典型的波蕩器X射線光譜，其中，λ表示X射線波長。X射線自由電子激光中心能量為22.68 keV，帶寬（BW）為0.1%。

對于多晶衍射而言，來自變形樣品的衍射環(huán)攜帶有物相、應(yīng)變以及強(qiáng)度信息。正如我們最近所報(bào)道的那樣[51]，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)的衍射探測幾何，就能運(yùn)用辛格理論[111]從衍射環(huán)推導(dǎo)出體應(yīng)變和殘余強(qiáng)度。

圖5（a）展示了沖擊壓縮下動態(tài)X射線衍射的實(shí)驗(yàn)幾何。ψ表示衍射晶面法線和加載方向之間的角度，可以從衍射角和方位角計(jì)算得到。ψ在二維探測器上的分布如圖5（b）所示。此外，根據(jù)布拉格定律從2D衍射圖樣中提取出來的晶格間距dm(hkl)也與ψ相關(guān)。

式中，dp(hkl)表示等效靜水壓下的特定衍射晶面(hkl)的晶面間距；Q依賴于強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和單晶彈性模量。殘余強(qiáng)度t由式t = 6G〈Q(hkl)〉f給出，其中，G是剪切模量，參數(shù)f 對所有晶體來說都約為1。

為模擬平板沖擊下的加載-衍射-探測幾何，我們將多晶α-RDX樣品單軸壓縮至5%。沖擊壓縮前后的衍射圖分別如圖5（c）和（d）所示。擬合常壓下的衍射環(huán)可得Q = 0，與預(yù)期的零殘余強(qiáng)度和零體積應(yīng)變吻合。而擬合沖擊壓縮下的衍射環(huán)則給出殘余強(qiáng)度為t =0.88 GPa，剪切模量G = 7.83 GPa [112]，也與預(yù)設(shè)的5%體積應(yīng)變吻合。因此，與金屬類似[51]，辛格方法也可用于獲得沖擊壓縮下含能材料的體積應(yīng)變和殘余強(qiáng)度。

2.3.2. 相干衍射成像（CDI）

單個(gè)晶?；蝾w粒代表了含能材料的最小結(jié)構(gòu)成分，它們的大小、形狀和內(nèi)部缺陷會顯著影響含能材料的性能[113]。例如，“晶粒尺寸”對高能炸藥沖擊感度的影響已有廣泛研究[114]。同時(shí)也有一些通過減少晶體缺陷來降低沖擊感度的嘗試[115,116]。因此解讀單顆粒的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)問題與含能材料的合成、處理和表現(xiàn)直接相關(guān)[113,117]。

相干X射線衍射成像技術(shù)，尤其是布拉格相干X射線衍射成像（BCDI）和平面波相干X射線衍射成像（PCDI），是一系列具有亞納米和納米級空間分辨率的新型X射線顯微鏡[118,119]。BCDI通過輕微旋轉(zhuǎn)晶粒用以研究單晶晶粒的三維布拉格節(jié)點(diǎn)分布[圖6（a）]，并解析其三維結(jié)構(gòu)、三維應(yīng)變以及包括孿晶和位錯在內(nèi)的內(nèi)部缺陷[119–122]。對在一個(gè)布拉格節(jié)點(diǎn)附近的散射矢量q來說，其散射強(qiáng)度I(q)可以寫成

圖5. 基于25 keV單色X射線的沖擊壓縮下多晶RDX的X射線衍射模擬。（a）加載和衍射幾何，ψ表示沖擊方向與特定衍射晶面的法線（n→）之間的夾角。（b）垂直于入射X射線的二維探測器上ψ的分布。未壓縮（c）和5%壓縮下（d）多晶α-RDX的X射線衍射。

圖6. （a）CDI原理示意圖。ki和kf分別表示入射和出射的X射線波矢。q代表衍射波矢。（b）具有單個(gè)孿晶的Cu樣品的模擬倒易空間。qx、qy和qz是倒易空間的三個(gè)基矢。（c）從（b）中數(shù)據(jù)重構(gòu)的結(jié)果。（d）金黃色葡萄球菌的代表性衍射圖和重建圖像。（d）經(jīng)Springer Nature ?2016許可，轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[130]。

式中，ρL(r)是晶格的電子密度；s(r)是晶體的形狀函數(shù)；而u(r)代表原子與理想晶格位點(diǎn)相比的位移場。PCDI旨在通過探測相干散射的X射線從而重構(gòu)出一個(gè)獨(dú)立的晶體或非晶顆粒[123–125] [圖6（b）]。不同于BCDI，PCDI的散射強(qiáng)度I(q)僅由粒子的電子密度分布函數(shù)ρ(r)決定，表達(dá)式為

盡管迄今為止CDI很少應(yīng)用于含能材料，但它獨(dú)具潛力。BCDI探測的單顆?？梢允嵌嗑K體中取出來的，也可以是嵌在聚合物基體中的（如PBX）。對一個(gè)單獨(dú)的顆粒來說，CDI能獲得其三維結(jié)構(gòu)、三維應(yīng)變和內(nèi)部缺陷等信息。此外，針對無機(jī)/金屬納米顆粒建立起的方法學(xué)和實(shí)驗(yàn)裝置[126,127]可以直接應(yīng)用于含能材料顆粒。對于多晶塊體或聚合物基體中的單個(gè)晶粒來說，上述信息也可用于推斷顆粒-顆粒和顆粒-黏合劑之間的相互作用。如文獻(xiàn)[119,128]中所述，外加載荷下顆粒的響應(yīng)和缺陷的動力學(xué)過程也可以通過原位BCDI來測量?？紤]到進(jìn)行含能材料BCDI實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，先進(jìn)的仿真工具（如GAPD）[108]成為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)解讀的關(guān)鍵。圖6（b）展示了用GAPD計(jì)算的Cu納米棒三維布拉格節(jié)點(diǎn)分布，其內(nèi)部孿生缺陷可以被很好地重構(gòu)出來[圖6（c）]。當(dāng)然，由于樣品需要旋轉(zhuǎn)，對于高速或超快測量而言，BCDI可能不太現(xiàn)實(shí)。而且，輻射對含能材料的損傷嚴(yán)重限制了入射X射線的通量[129]。

在X射線自由電子激光發(fā)出的飛秒級強(qiáng)X射線脈沖下，單脈沖PCDI已被證明能夠以約10 fs的時(shí)間分辨率解讀瞬態(tài)納米尺度動力學(xué)過程[125]。圖6（d）展示了自由電子激光單脈沖探測的細(xì)菌，以及相應(yīng)的二維重構(gòu)結(jié)果[130]。單脈沖PCDI也被用來研究蔗糖納米球的爆炸動力學(xué)，并在泵浦后500 fs～1 ps觀察到明顯的樣品膨脹[131]?？紤]到蔗糖和有機(jī)炸藥之間的相似性[132]，這樣的探測手段也可以擴(kuò)展到含能材料。這里的泵浦可以是光學(xué)激光器，也可以是自由電子激光的X射線脈沖。對于采用分束時(shí)延方式的X射線泵浦和探測，第一束X射線脈沖可對顆粒點(diǎn)火并同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，而第二束X射線脈沖可以以一定的延遲探測點(diǎn)火/爆炸動力學(xué)[131]。此類實(shí)驗(yàn)使我們能夠解讀單個(gè)顆粒的生長、燃燒或爆炸動力學(xué)[113,133–135]。

2.3.3. X 射線小角散射

制備與加工引入的從納米到微米尺度的不均勻缺陷[圖7（a）]會顯著影響含能材料的安全性和服役表現(xiàn)[141–144]。此外，爆轟過程也會產(chǎn)生納米級產(chǎn)物。例如，固態(tài)碳顆粒被認(rèn)為是富碳高能炸藥爆轟的主要產(chǎn)物之一[圖7（a）] [145–147]。在動態(tài)加載前后對這類納米結(jié)構(gòu)的形成和生長動力學(xué)進(jìn)行表征，對建立含能材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系以及對其物理和化學(xué)機(jī)制的理解具有十分重要的意義。

X射線小角散射（SAXS）對物質(zhì)內(nèi)部數(shù)納米至微米尺度范圍內(nèi)的電子密度變化（或襯度）很敏感，非常適合在這些空間尺度上對含能材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。SAXS測量可以無損地獲得豐富的信息，如顆粒尺寸分布（單分散或多分散）和孔洞形貌（開放或封閉）。對于由顆粒或孔洞組成的電子密度襯度為Δρ的單分散系統(tǒng)來說，顆粒的回轉(zhuǎn)半徑Rg和表面積S可以分別通過Guinier方法：

和Porod定律獲得：

圖7. SAXS測量揭示含能材料的結(jié)構(gòu)不均勻性及其動力學(xué)。（a）爆轟模型示意圖及該過程中涉及的亞微米結(jié)構(gòu)。爆轟過程的化學(xué)分解發(fā)生在化學(xué)反應(yīng)區(qū)（CRZ）。PN和PCJ分別表示峰值壓力和在Chapman-Jouguet面（化學(xué)反應(yīng)停止處）的壓力。（b）利用Guinier方法和Porod定律從SAXS曲線獲取顆粒/孔洞的尺寸和表面積。（c）利用SAXS譜擬合方法得到顆粒/孔洞尺寸分布函數(shù)（PVDF）。（d）納米含能材料（nanoEM）的典型形貌。（e）不同納米結(jié)構(gòu)的SAXS曲線。（f）由具有擇優(yōu)取向的納米棒組成的密實(shí)系統(tǒng)對應(yīng)的各向異性SAXS譜。（c）經(jīng)International Union of Crystallography ?2019許可，轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[136]；（d）分別經(jīng)Elsevier ?2016,?2020,?2017,?2017許可，轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[137–140]。

式中，I是散射強(qiáng)度；q是散射矢量的模。對于多分散系統(tǒng)，顆粒尺寸分布可以通過對散射曲線的擬合獲得[圖7（c）]。

SAXS已成功應(yīng)用于獲取高能炸藥粉末和壓裝藥柱的內(nèi)部孔洞和顆粒表面積以及顆粒尺寸分布[148]。例如，基于同步輻射的原位SAXS測量表明，熱循環(huán)會導(dǎo)致1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯（TATB）基PBX內(nèi)部的孔洞尺寸和孔隙度增加[149]，該項(xiàng)工作是原位SAXS在表征PBX制備中的典型應(yīng)用。高亮度的先進(jìn)X射線光源使我們能夠研究瞬態(tài)過程[46,150]?；谕捷椛浠騒射線自由電子激光的時(shí)間分辨SAXS（TR-SAXS）測量，有望解決某些懸而未決的問題，尤其是那些由于其超快特性而缺乏適當(dāng)診斷工具的難題。例如，文獻(xiàn)[151–153]報(bào)道了基于同步輻射的粉紅光TR-SAXS測量，探索了爆炸后固態(tài)碳顆粒的形成機(jī)理，同時(shí)也嚴(yán)格證明了粉紅色光進(jìn)行超快SAXS測量的可行性[154]。最新研究表明，金剛石顆粒在爆炸后300 ns內(nèi)形成并緩慢生長[155,156]。結(jié)合TR-SAXS與XRD測量，同時(shí)X射線散衍射測量有望被用于上述過程的研究。

納米含能材料（nanoEM）代表了一系列具有高能量密度和出色燃燒性能的含能材料[134,157,158]。納米含能材料可具有多種形貌[圖7（d）]，如球[159]、棒/線[160]、網(wǎng)絡(luò)[161]、層狀[162]以及核-殼結(jié)構(gòu)[163,164]等。SAXS在表征這些納米結(jié)構(gòu)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢[圖7（e）]，可獲取顆粒尺寸分布和納米棒半徑等信息。值得一提的是，先進(jìn)的模擬工具如SLADS [165]和GAPD，可為SAXS信號解讀提供很大的幫助，尤其是那些無法用傳統(tǒng)的模擬/分析方法建模的納米結(jié)構(gòu)。這兩個(gè)代碼能夠計(jì)算出體系巨大且各向異性的密實(shí)納米顆粒系統(tǒng)的散射譜。圖7（f）展示了由具有擇優(yōu)取向納米棒粒子組成的致密系統(tǒng)對應(yīng)的各向異性SAXS譜。

2.4. 同時(shí)多尺度測量

由于含能材料中許多物理和化學(xué)過程本質(zhì)上是多尺度的，因此在單次實(shí)驗(yàn)中急需獲得多個(gè)空間尺度上的信息。原則上，可以將單獨(dú)的“相同”實(shí)驗(yàn)整合起來以獲取不同空間尺度的數(shù)據(jù)。但是，實(shí)際上沒有兩次實(shí)驗(yàn)是完全相同的。因此，同步多尺度測量從實(shí)驗(yàn)嚴(yán)密性角度來說有巨大優(yōu)勢，并且可以橋接在不同尺度上的測量結(jié)果，揭示不同空間尺度上的物理機(jī)制。

在X射線診斷的三種主要類型中，即成像、衍射和散射[圖1（a）]，可以通過兩種或三種類型的結(jié)合（如XRD + PCI和XRD + SAXS）來獲得微觀和介觀尺度的信息。此外，常規(guī)的宏觀探測技術(shù)，如激光干涉技術(shù)、應(yīng)變計(jì)或應(yīng)力計(jì)則可用于宏觀測量。因此，原則上，微觀尺度、介觀尺度和宏觀尺度的探測可以在單次實(shí)驗(yàn)過程中同步執(zhí)行。在這里，微觀尺度可以廣義地定義為晶格和納米尺度。

對于XRD + PCI測量，微觀尺度（晶格水平）和介觀尺度（如在應(yīng)變場方面）的信息可以分別通過XRD和PCI獲取。例如，XRD和PCI聯(lián)合技術(shù)已被用于研究帶織構(gòu)的鎂合金AZ31 [57,166]：XRD揭示了變形孿生的出現(xiàn)與消失，PCI揭示了應(yīng)變局域化的增加速率的變化，而應(yīng)力-應(yīng)變曲線（從應(yīng)變計(jì)獲得）則顯示出不同的應(yīng)變率硬化特征。這種同時(shí)的多尺度測量首次嚴(yán)格揭示孿生抑制了應(yīng)變局域化的生長，進(jìn)而導(dǎo)致鎂合金AZ31應(yīng)變率硬化增強(qiáng)的微觀機(jī)制。這種探測的同時(shí)性可以建立有用的跨尺度關(guān)聯(lián)并揭示內(nèi)在機(jī)制。XRD +SAXS測量有助于獲得納米粒子的相結(jié)構(gòu)和尺寸信息，并且可以用于理解爆炸產(chǎn)物（如碳冷凝物）的相結(jié)構(gòu)、尺寸和動力學(xué)。更重要的是，同時(shí)多尺度測量也適用于含能材料。

3. 動態(tài)太赫茲和光學(xué)診斷方法

3.1. 太赫茲和光譜學(xué)

THz波段位于電磁波譜的微波和中紅外波段之間，覆蓋0.3～10 THz（或10～300 cm–1）[47]。含能材料的特定振動模式產(chǎn)生獨(dú)特的THz特征譜，這些特征譜可用于探測和鑒定含能材料[168]。此外，THz光譜可測得含能材料的吸收系數(shù)和折射率[169]。進(jìn)一步地，含能材料分子構(gòu)型的微小變化也可改變太赫茲特征譜。因此，THz光譜可反映含能材料在外界刺激下的動態(tài)化學(xué)和物理響應(yīng)。

近年來，含能材料的太赫茲光譜已延伸到低溫條件[170,171]。例如，圖8（a）展示了利用THz時(shí)域光譜測試RDX單晶沿[002]方向上在77～300 K溫度范圍內(nèi)的THz吸收譜。當(dāng)溫度升至大約200 K時(shí)，RDX在0.5 THz左右的吸收峰消失，顯示可能存在相變。Melinger等[170]使用THz時(shí)域光譜測試了RDX薄膜在13～293 K溫度范圍內(nèi)的THz吸收譜。在80 K以下，RDX薄膜有超過10個(gè)THz吸收峰。在80～293 K溫度范圍內(nèi)，THz吸收譜只在0.84 THz有吸收峰，并且該吸收峰隨溫度上升變?nèi)鹾妥儗挕５趫D8（a）中，RDX單晶[002]取向的吸收峰在0.5 THz附近變?nèi)跄酥料?。Damarla等[172]報(bào)道了特氟隆基體中RDX粉末在303～573 K溫度范圍內(nèi)的THz吸收譜。隨著溫度上升，RDX在0.84 THz附近的吸收峰在378 K變寬，顯示熱致裂解。

圖8. （a）RDX沿[002]方向的溫度相關(guān)THz吸收譜。（b）沖擊加載下氬氣稀釋甲烷的輻亮度（GW·m–3·Sr–1）。（c）在氬氣氣氛中激光燒蝕硝基甲烷的CN分子發(fā)射譜。L是縱向位置。（c）經(jīng)Elsevier ?2020許可，轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[167]。

盡管THz吸收光譜已應(yīng)用于靜高壓下的分子晶體，但是其還未被擴(kuò)展至動態(tài)加載[173]。作為一種線性吸收光譜技術(shù)，THz吸收光譜的探測靈敏度要高于其他非線性光譜技術(shù)，如相干反斯托克斯拉曼光譜和拉曼光譜[174]。因此，THz吸收光譜在研究沖擊壓縮下含能材料方面具有重大的潛質(zhì)。

由于具有很高的時(shí)間分辨率[175]，光譜已經(jīng)被用于研究含能材料的動態(tài)化學(xué)和物理過程。超快吸收光譜和拉曼光譜，包括紫外/可見吸收光譜[176]、紅外吸收光譜[177]、拉曼光譜[178]和相干反斯托克斯拉曼光譜[179,180]等，時(shí)間分辨率分別可以達(dá)到探測激光的脈沖寬度（數(shù)十飛秒）。相反地，超快發(fā)射光譜（如高溫計(jì)和LIBS）的時(shí)間分辨率主要受到探測器的限制，如條紋相機(jī)為1～100 ps [181,182]，光電倍增管為亞納秒。

基于光電倍增管的高溫計(jì)通過不同的波長或通道采集光譜輻射，然后利用普朗克定律根據(jù)溫度或波長依賴的發(fā)射率來推導(dǎo)沖擊溫度[32]。圖8（b）展示了利用40路高溫計(jì)采集沖擊下氬氣稀釋甲烷的光譜輻射結(jié)果，通過輻射強(qiáng)度增加推斷出在4500 ns發(fā)生點(diǎn)火。

Bouyer等[183]采用16路高溫計(jì)采集了硝基甲烷數(shù)納秒內(nèi)的沖擊轉(zhuǎn)爆轟過程。他們清楚地觀察到?jīng)_擊轉(zhuǎn)爆轟過程的不同階段，包括沖擊進(jìn)入、超爆轟、強(qiáng)爆轟和穩(wěn)定爆轟。

在LIBS技術(shù)中，一束脈沖激光聚焦到樣品表面并燒蝕樣品，產(chǎn)生用于發(fā)射光譜的微等離子體?；诜肿雍驮影l(fā)射線，LIBS主要用于鑒定和檢測含能材料[184,185]。雙納秒激光脈沖[186]或飛秒激光脈沖[187]常被用來提高LIBS靈敏度和選擇性。時(shí)間分辨LIBS也被用來研究激光燒蝕中含能材料的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[185,188,189]。近年來，Zhao等[167]使用飛秒LIBS研究了硝基甲烷在氬氣或氮?dú)鈿夥罩械脑雍头肿影l(fā)射光譜。他們確定了CN、C2和NH等分子的電子帶以及CI、NI和Hα的原子躍遷線[圖8（c）]。假設(shè)局域熱力學(xué)平衡[191]，通過以下公式可擬合CN分子的振轉(zhuǎn)溫度：

式中，I是發(fā)射強(qiáng)度；n、v和J分別是主量子數(shù)、振動量子數(shù)和轉(zhuǎn)動量子數(shù)；Ce是發(fā)射系數(shù)；h、c和kB是普朗克常量、真空光速和玻爾茲曼常量；v?J′,J′′是躍遷波數(shù)；Trot和Tvib是轉(zhuǎn)動和振動溫度；Qrot是轉(zhuǎn)動配分函數(shù)；qv′,v′′和SJ′,J′′是弗蘭克-康登系數(shù)和H?nl-London因子；F′和G′是轉(zhuǎn)動和振動能量。

LIBS僅能檢測少量的原子和分子，通過與敏感痕量氣體技術(shù)（如質(zhì)譜法）結(jié)合可擴(kuò)展其檢測能力[190]。例如，Civi?等[190]結(jié)合LIBS和選擇離子流管質(zhì)譜法研究了二氨基二硝基乙烯（FOX-7）激光燒蝕下的反應(yīng)機(jī)理。選擇離子流管質(zhì)譜法鑒定了激光燒蝕微等離子體中的12種穩(wěn)定氣相物種。LIBS確定了C、H、N等原子和CN、OH、NO等分子。結(jié)合這兩項(xiàng)測試結(jié)果，Civi?等提出了FOX-7在激光誘導(dǎo)擊穿過程中的裂解機(jī)理。

激光誘導(dǎo)等離子體快速擴(kuò)張產(chǎn)生的沖擊波會干擾微等離子體中的分子形成[31]。例如，Harilal等[31]研究了在等離子體前端產(chǎn)生的沖擊波影響下激光燒蝕鋁中的分子形成機(jī)理。在等離子體擴(kuò)張的初始階段，沖擊波通過阻止氧氣進(jìn)入微等離子體從而抑制鋁的燃燒過程。在沖擊波消失后，分子形成逐漸占主導(dǎo)。Hori等[191]利用條紋相機(jī)獲得了激光誘導(dǎo)空氣產(chǎn)生微等離子體中的時(shí)間分辨單發(fā)激光誘導(dǎo)擊穿發(fā)射譜。Rabasovic等[192]使用基于條紋相機(jī)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜跟蹤了激光誘導(dǎo)空氣產(chǎn)生微等離子體快速擴(kuò)張中最亮的位移，獲得了35 km·s–1的等離子擴(kuò)張速率。因此，LIBS可用于激光燒蝕下含能材料研究。

3.2. 超快成像干涉法

超快成像干涉法能對動態(tài)加載下的位移/速度進(jìn)行時(shí)間和空間（一維或二維）分辨測量，這有助于將結(jié)構(gòu)上的非均勻性和波陣面的不平整性與潛在的熱點(diǎn)成核聯(lián)系起來。這些干涉診斷方法包括一維線VISAR [193]、二維VISAR [194]和TIDI [195]。TIDI/二維VISAR能夠獲得表面（或界面）的離面位移/速度場。它們的最高時(shí)間分辨率可以達(dá)到探測激光的脈寬或探測器的時(shí)間分辨極限（飛秒至納秒）[196,197]，而空間分辨率通常為1～10 μm。TIDI的位移靈敏度和VISAR的速度靈敏度大約為10 nm及10 m·s–1。

TIDI系統(tǒng)中含有探測和參考兩個(gè)光路（光臂），且探測光路的相位會隨著樣品對外部加載響應(yīng)的變化而改變。兩個(gè)光臂的干涉結(jié)果由二維探測器所記錄，為

式中，I為光強(qiáng)；r為反射系數(shù)；f0為初始條紋頻率；Φ為加載導(dǎo)致的相移。位移場可以通過解出Φ得到：

式中，λ0為探測光的波長；θ為入射光的傾斜角度。對于二維VISAR，兩個(gè)光路從相同的樣品處采集回光，但在參考光路中放置了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具來引入時(shí)間延遲。

TIDI和二維VISAR已被用于測量金屬的動態(tài)響應(yīng)，而這些成功案例顯示了它們在含能材料領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。圖9（a）展示了一幅多晶材料在沖擊加載下的TIDI條紋圖和對應(yīng)的位移場[198]。該離面位移場展示了位移梯度和相應(yīng)波陣面的非均勻性，而該非均勻性是由加載的輕微扭曲（整體的趨勢）和局部的晶體結(jié)構(gòu)（局部的漲落）導(dǎo)致的。TIDI在研究含能材料中結(jié)構(gòu)非均勻性對沖擊響應(yīng)的影響，尤其是和熱點(diǎn)相關(guān)的熱力學(xué)過程時(shí)大有前景。

借助條紋相機(jī)，線VISAR能夠通過記錄探測激光的多普勒頻移得到一條直線上的速度場。該干涉儀由兩個(gè)光路組成，其中一個(gè)光路中放置有標(biāo)準(zhǔn)具。由該標(biāo) 準(zhǔn)具導(dǎo)致的時(shí)間延遲使兩個(gè)光路產(chǎn)生相差。線VISAR的典型時(shí)間、空間和速度分辨能力分別為1 ns、10 μm和20 m·s–1。圖9（b）展示了利用線VISAR測量激光沖擊鋁樣品的典型結(jié)果[199]。結(jié)果表明，線VISAR測量了自由面速度場（一維）和沖擊波陣面的不平整性。盡管不平整性并不突出，但線VISAR的高時(shí)空分辨能力為超快測量具有多尺度結(jié)構(gòu)非均勻性的含能材料（如PBX）的波陣面非均勻性提供了可能。

4. 總結(jié)

圖9. 動態(tài)成像干涉技術(shù)。TIDI：沖擊下銅的條紋圖（a）和相對應(yīng)的面外位移場（b）。線-成像VISAR：激光沖擊下鋁的條紋相機(jī)拍攝結(jié)果（c）和相應(yīng)的速率歷史（d）。（a）、（b）經(jīng)AIP ?2007許可，轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[198]；（c）、（d）經(jīng)Springer Nature ?2020許可，轉(zhuǎn)載自文獻(xiàn)[199]。

我們簡要回顧了在多時(shí)空尺度下研究含能材料的X射線、太赫茲和光學(xué)診斷技術(shù)，包括二維和三維X射線成像、X射線衍射、相干X射線衍射成像、X射線小角散射、太赫茲和光學(xué)吸收/發(fā)射光譜以及一維和二維速度/位移干涉技術(shù)，并著重探討了它們的時(shí)間和（或）空間分辨能力。我們介紹了探測和數(shù)據(jù)分析的基本原理并輔以示例說明?？傮w而言，所討論的這些技術(shù)在含能材料的研究中擁有巨大的潛力，但還需多學(xué)科共同努力來定義科學(xué)問題和工程問題，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和解讀以及多尺度建模。

致謝

我們感謝PIMS X射線小組的貢獻(xiàn)。本工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11627901和11802252）資助。

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