紫外激光辐照RDX含能材料烧蚀特性研究_晏中华.pdf
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1、为了探究含能材料在紫外激光辐照下的烧蚀特点及规律,采用光学显微镜、扫描电子显微镜以及微粒计数器等表征手段,分别对不同质量、不同厚度的黑索今(,)含能材料在紫外激光(波长为 )辐照下的烧蚀尺寸、烧蚀形貌以及冲击波引起的材料喷溅等特性进行表征与统计。研究结果表明,随着入射激光能量密度的不断增大,含能材料的横向烧蚀面积和纵向烧蚀深度均先增大后减小,且最终烧蚀面积保持在光斑面积大小,烧蚀深度保持在 左右;对于激光烧蚀诱导的含能材料微粒喷溅,中尺寸的微粒数量呈现先增多后减少的趋势,而大尺寸的微粒数量却一直减少。与大光斑激光辐照相比较,在相同能量密度下,小光斑辐照时的横向烧蚀面积更小,烧蚀致微粒喷溅的作用
2、更强。关键词:紫外激光;含能材料;激光烧蚀;微粒特征中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,;,):,(:),;,:;引 言激光起爆技术具有高精度、易安全操作等优良特性,在航空航天工业、国防技术等领域都有广泛的应用前景。含能材料的激光起爆,由文献在 年首次提出,采用了钕玻璃激光器 开关作用模式起爆叠氮化铅和太安(,)炸药,反应速率与压制炸药的压强有关,的平均反应速率为 。年文献 对 黑 索 今(,)和奥克托今(,)的激光起爆,分别从热起爆、光化学起爆、冲击起爆以及激光引发电离起爆等方面进行了起爆机理的讨论。自那以后,人们对激光与含能材料的相互作用做了大量的研究,关注激光器参数对含能
3、材料激光起爆性能的影响。文献研究了重金属叠氮化物、以及()在不同激光波长下的辐照,并从含能材料带隙角度分析激光起爆机理。文献探究了脉宽对 激光起爆能量阈值的影响,结果表明,起爆能量密度随着激光束脉宽的增大而增大。除了探究激光器参数对含能材料激光起爆性能的影响外,近年来,部分学者研究了光敏添加剂或杂质,对含能材料激光起爆性能的影响。文献在、梯恩梯(,)和 分别加入炭黑、纳米颗粒()和碳纳米管等光吸收添加剂,结果表明,相对于其他几种添加剂,纳米颗粒由于其较高的热吸收效率和较好的分散性,使其成为最佳的光吸收添加剂,可将 的激光(波长为 的连续激光)加热效率提高 倍。文献的研究结果表明,随着 纳米颗粒
4、的含量逐渐增加,含能材料 的激光起爆能量由原来的 减小到 ,其激光起爆性能显著提高。上述研究成果对于探究激光与含能材料的相互作用机理,推动激光起爆技术的发展起到了极大的促进作用。研究表明,在激光与含能材料的相互作用过程中,常常伴随着大量激光辐照致含能材料烧蚀 损伤现象,关于这些现象的进一步研究对于理解激光与含能材料相互作用机理,指导激光起爆含能材料技术的应用至关重要。在本课题组早期的研究中,主要也探究了大尺寸的含能材料晶体块的激光辐照烧蚀特性,。关于含能材料装药药柱的激光辐照烧蚀特性的研究,目前的报道比较少。基于以上研究现状,本文开展了 含能材料装药药柱在紫外(,)激光辐照下的烧蚀特性研究,借
5、助光学显微镜(,)、扫描电子显微镜(,)和微粒计数器等表征手段对含能材料激光致烧蚀特性进行表征。该研究结果将有助于理解激光与含能材料相互作用机理,指导含能材料的制备工艺,促进激光起爆技术的发展。样品制备及实验装置 样品制备本实验选用 为主体炸药,聚乙烯醇缩丁醛()为 粘 结 剂,质 量 比 例 为 ,为其他添加剂。采用相同压制工艺,将 含能材料压制成同一直径()、不同质量、不同厚度的圆形压片,其具体的样品参数及其激光辐照光斑面积如表 所示。表 样品参数及其激光辐照光斑面积 样品编号质量 样品厚度 密度()光斑面积 激光装置本实验采用:脉冲激光器,激光波长为,脉宽为 ,光斑面积分别为 和,激光装
6、置如图 所示。图 中,纳秒激光器产生的激光束经过分束器反射小部分激光能量(约 重 庆 邮 电 大 学 学 报(自然科学版)第 卷)到能量探测器中,用于主光路的能量监测,而绝大部分能量则经过透镜聚焦到样品表面。同时,在样品的正下方放置微粒计数器,用于记录激光辐照烧蚀 样品时所喷溅的微粒数量及尺寸。二维平移台用于移动样品,而氦氖激光则作为准直光指示激光的路径和到达样品的位置。图 激光装置示意图 结果与分析 烧蚀尺寸图 对比了 种不同样品的激光烧蚀面积和烧蚀深度随入射激光能量密度的变化关系。对于样品 而言,当初始能量密度为 时,各样品便出现辐照烧蚀,此时横向烧蚀尺寸差异不明显,初始烧蚀面积均在左右,
7、光斑所覆盖的范围并非所有的 材料,而仅仅是位于光斑中心激光能量较高的部分。随着入射激光能量逐渐增强,光斑覆盖范围致烧蚀的激光束越来越多,各样品的横向烧蚀面积也不断增大。对于样品 和,当入射激光能量密度在 时,光斑辐照范围内被全部烧蚀,而对于 和 而言,该能量密度则分别为和 。对比样品,不难发现,在相同质量条件下,较厚的样品压片密度较低(如、的厚度分别为 和 ,压片密度约为 和 ),粉晶之间间隙较大,质地较为疏松。因此,在激光与 材料作用过程中,由激光等离子体火球和含能材料的局部微爆所引起的冲击波使得 材料更容易被烧蚀,致使在相同能量密度条件下,其烧蚀的面积更大。样品 由于其样品厚度最小(),对
8、应的密度最高(约为 ),粉晶之间的间隙最小,质地更加紧实,冲击波导致的材料烧蚀较少,相同横向烧蚀尺寸下,需要的入射激光能量密度更大。图 烧蚀面积和烧蚀深度随能量密度的变化关系 随着入射激光能量密度的逐渐增大,对于样品,横向烧蚀面积和纵向烧蚀深度均呈现先增大后减小的趋势,并在 左右取得最大值。横向烧蚀面积最大分别为、和,纵向烧蚀深度最大分别为、。当入射激光能量密度逐渐增大,等离子体火球和含能材料的局部微爆所引起的冲击波也逐渐增强,致使 含能材料的烧蚀程度也逐渐加剧,当能量密度增大到 时,等离子体火球吸收在其中传播的激光束能量,使自身温度升高。等离子体火球剧烈屏蔽大部分入射激光的余脉冲,使得激光诱
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