含能材料的反應(yīng)性光聲特性研究.pdf

1、反應(yīng)性光聲譜是光熱光聲譜和化學(xué)反應(yīng)熱聲譜的復(fù)合光聲譜。反應(yīng)性光聲譜技術(shù)的核心技術(shù)是高靈敏度和高信噪比的檢測動態(tài)的反應(yīng)性光聲譜?？茖W(xué)問題是將傳統(tǒng)光聲譜和化學(xué)反應(yīng)聲譜從反應(yīng)性光聲譜中分離出來，并且進(jìn)行化學(xué)動力學(xué)解算，而目前這兩方面的問題尚未得到實質(zhì)性解決。為了更好地了解化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)與光聲譜之間的關(guān)聯(lián)性，本文針對具有不同反應(yīng)性和熱效應(yīng)的含能材料開展了反應(yīng)性光聲特性和規(guī)律研究，獲得了化學(xué)反應(yīng)與光聲信號的關(guān)聯(lián)性，為反應(yīng)性光聲技術(shù)的定量分析奠定了

2、基礎(chǔ)。本文采用脈沖激光引發(fā)的反應(yīng)性光聲實驗技術(shù)、光反射率分析技術(shù)、TG-DSC熱分析技術(shù)、輻射光譜分析技術(shù)、激光共聚焦顯微分析技術(shù)和高速圖像分析技術(shù)等先進(jìn)的分析技術(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬，對硝酸鉀(KNO3)/石墨(C)，碳納米管(CNTs)和碳黑(CB)摻雜的黑索今(RDX)、奧克托今(HMX)、太安(PETN)和六硝基芪（HNS）等典型含能材料的光學(xué)特性、熱化學(xué)反應(yīng)特性、激光燒蝕與點火特性和反應(yīng)性光聲特性等開展了實驗研究，結(jié)合數(shù)學(xué)建模和數(shù)值

3、模擬等理論分析，揭示了含能材料的化學(xué)反應(yīng)性與反應(yīng)性光聲特性的內(nèi)在關(guān)系和反應(yīng)性光聲譜激發(fā)機理，取得了如下研究進(jìn)展。
　　(1) KNO3/C含能材料的反應(yīng)屬于固相反應(yīng)，硝酸鉀含量為75％-80％時反應(yīng)相對完全，其動力學(xué)過程至少存在三個以上的化學(xué)反應(yīng)歷程。激光與KNO3/C藥劑相互作用時，能導(dǎo)致KNO3/C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和燒蝕，并且激發(fā)出相應(yīng)的反應(yīng)性光聲波和輻射光。KNO3/C樣品反應(yīng)性光聲的強度主要決定于KNO3/C體系的熱化學(xué)反應(yīng)特

4、性—即氣體產(chǎn)物的多少和熱效應(yīng)的大小。反應(yīng)性光聲信號除了表現(xiàn)出普通光聲信號所具有的光聲信號強度與入射激光強度成正比的關(guān)系外，還體現(xiàn)出化學(xué)反應(yīng)活性和放熱量的增加對光聲強度具有明顯的增強作用。反應(yīng)性光聲峰值在時域上滯后激光脈沖持續(xù)時間，這表明反應(yīng)性物質(zhì)在激光作用后的熱化學(xué)反應(yīng)是光聲強度的主要貢獻(xiàn)者。化學(xué)反應(yīng)和燒蝕解離的氣體產(chǎn)物對光聲信號的增強作用更為顯著。激光作用于KNO3/C藥劑的輻射光譜具有線狀光譜的特征，光譜波長分布在300nm～600

5、nm之間，其組成主要是N、O、C和K的原子光譜和離子光譜。激光能量較高時光譜組成主要是N、O、K、C的原子光譜和NⅡ、OⅡ、OⅤ、KⅠ、CⅤ離子光譜，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在KNO3和C之間;激光能量較低時多數(shù)是氧離子(OⅡ)和鉀原子(KⅠ)，化學(xué)反應(yīng)主要是硝酸鉀的分解反應(yīng)，多余的熱量用于C的吸熱升溫。
　　(2)對CB和CNTs的光反射率分析表明，CNTs的光反射率比炭黑小約30％。純的炸藥對激光反射率很大，光聲信號很弱，其光聲強度與入射

6、激光能量成正比。通過在典型的RDX、HMX、PETN和HNS猛炸藥中摻雜CB和CNTs，摻雜處理后的炸藥的光反射率減小，炸藥的光吸收率提高，激光作用于炸藥的光聲信號明顯增強。同一炸藥，同一摻雜量下?lián)诫sCNTs的光聲信號強于摻雜CB的效果;同一炸藥，摻雜物相同，摻雜量越大光聲信號越強。摻雜體系存在一最佳點火能量。在對激光能量(E)與光聲信號達(dá)到峰值時間（τ延滯期）的變化規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)幾種炸藥E～τ之間的關(guān)系呈雙曲線。KNO3/C體系E～

7、τ之間的關(guān)系呈拋物線，是二次函數(shù)，隨著激光能量的增大延滯期τ呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，光聲信號的強度一直呈增大趨勢，即KNO3/C體系在激光作用下入射激光能量與光聲信號強度成正比。表明KNO3/C體系與炸藥體系在激光作用下動力學(xué)特征有明顯不同。
　　(3)建立了考慮光熱效應(yīng)、凝聚相化學(xué)反應(yīng)和氣化相變等因素的反應(yīng)性光聲模型，并且對反應(yīng)性光聲模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得的光聲信號特征和相關(guān)因素的影響規(guī)律與實驗數(shù)據(jù)基本一致。數(shù)值分析結(jié)果表明光

8、聲信號的強度與入射激光能量、氣體產(chǎn)物、樣品的反應(yīng)熱等密切相關(guān)。在影響光聲信號強度的因素中，入射激光能量的影響最為顯著，其次是化學(xué)反應(yīng)或燒蝕生成的氣體產(chǎn)物，再次是化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱。
　　本篇論文在以下幾個方面有創(chuàng)新性和突破性進(jìn)展:
　　(1)系統(tǒng)地獲得了KNO3/C、摻雜炭黑和碳納米管的RDX、HMX、PETN和HNS等炸藥等的光學(xué)特性、熱化學(xué)反應(yīng)特性、脈沖激光作用下的反應(yīng)性光聲特性和脈沖激光燒蝕特性，確定了這些特性之間的相關(guān)