含能材料的反應性光聲特性研究.pdf

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

2、基礎。本文采用脈沖激光引發(fā)的反應性光聲實驗技術、光反射率分析技術、TG-DSC熱分析技術、輻射光譜分析技術、激光共聚焦顯微分析技術和高速圖像分析技術等先進的分析技術，結合數值模擬，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特性、熱化學反應特性、激光燒蝕與點火特性和反應性光聲特性等開展了實驗研究，結合數學建模和數值

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

4、性—即氣體產物的多少和熱效應的大小。反應性光聲信號除了表現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系外，還體現出化學反應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，這表明反應性物質在激光作用后的熱化學反應是光聲強度的主要貢獻者。化學反應和燒蝕解離的氣體產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，化學反應發(fā)生在KNO3和C之間;激光能量較低時多數是氧離子(OⅡ)和鉀原子(KⅠ)，化學反應主要是硝酸鉀的分解反應，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，同一摻雜量下摻雜CNTs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)與光聲信號達到峰值時間（τ延滯期）的變化規(guī)律的研究中發(fā)現幾種炸藥E～τ之間的關系呈雙曲線。KNO3/C體系E～

7、τ之間的關系呈拋物線，是二次函數，隨著激光能量的增大延滯期τ呈現先增大后減小的規(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特征有明顯不同。
　　(3)建立了考慮光熱效應、凝聚相化學反應和氣化相變等因素的反應性光聲模型，并且對反應性光聲模型進行了數值模擬，獲得的光聲信號特征和相關因素的影響規(guī)律與實驗數據基本一致。數值分析結果表明光

8、聲信號的強度與入射激光能量、氣體產物、樣品的反應熱等密切相關。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，其次是化學反應或燒蝕生成的氣體產物，再次是化學反應的反應熱。
　　本篇論文在以下幾個方面有創(chuàng)新性和突破性進展:
　　(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等炸藥等的光學特性、熱化學反應特性、脈沖激光作用下的反應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