【摘要】：含能材料作為現(xiàn)代武器能量的主要來源之一,其性能優(yōu)劣直接決定了整個武器系統(tǒng)能否良好運(yùn)行。研究表明,含能材料的微觀結(jié)構(gòu)對不同起爆方式(如沖擊波、機(jī)械起爆等)作用下的起爆性能都有著重要的影響。相比于傳統(tǒng)起爆方式,激光起爆具有安全性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),在航空航天工業(yè),國家防御等方面有重要應(yīng)用價值。目前,含能材料的微觀結(jié)構(gòu)對激光起爆性能影響的研究還鮮見報道。本文研究了黑索金(RDX)炸藥晶體的微觀結(jié)構(gòu)對其激光起爆性能的影響,探究了激光與晶體材料相互作用機(jī)理。另外,成功地運(yùn)用冷場球差校正透射電子顯微鏡結(jié)合低溫樣品冷凍手段表征了RDX晶體高分辨精細(xì)結(jié)構(gòu)及缺陷。論文主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:1.研究了微觀結(jié)構(gòu)缺陷對RDX炸藥晶體激光起爆性能的影響。結(jié)果表明,RDX晶面的微觀結(jié)構(gòu)缺陷會直接影響到其表面粗糙度RMS值,且隨著表面粗糙度RMS值的逐漸增大,RDX晶體起爆閾值逐漸降低。同時,與RDX含能晶體的激光起爆概率相關(guān)的兩個參數(shù)(擬合系數(shù)B和最小激光起爆閾值Hmin)均與RDX含能材料晶體的表面粗糙度RMS值呈指數(shù)關(guān)系。2.研究了RDX單晶片分別在紫外激光(355 nm)和近紅外激光(1064 nm)輻照下的起爆特性。觀察到由于RDX晶體對激光頻率的不同吸收特性,導(dǎo)致RDX晶體在紫外激光輻照下更容易起爆。通過含能晶體的激光誘導(dǎo)損傷特性分析發(fā)現(xiàn):(1)對于紫外激光輻照,由于RDX晶體對紫外激光的強(qiáng)吸收,激光誘導(dǎo)損傷主要發(fā)生在晶體的入光面。晶體損傷形貌可分為三類:熱熔融致微裂紋損傷、細(xì)裂紋和麻點(diǎn)損傷、大尺寸坑狀損傷�？訝顡p傷包括中心核心區(qū)和周圍炸裂區(qū)。隨著激光能量增大,周圍炸裂區(qū)損傷面積一直增大,而中心核心區(qū)的損傷面積及深度先增大,當(dāng)激光能量密度達(dá)到12 J/cm2后,趨于飽和值。(2)對于近紅外激光輻照,由于RDX晶體的吸收較弱,同時受激光誘導(dǎo)等離子體的約束作用,材料損傷主要發(fā)生在晶體的出光面。其損傷大致分為三類:熔融致不規(guī)則微裂紋、熱機(jī)械致定向細(xì)長裂紋以及大面積坑狀損傷。(3)綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,RDX晶體的激光起爆動力學(xué)過程可描述為:首先出現(xiàn)等離子火球,然后,等離子體火球的膨脹形成沖擊波并分別向空氣和晶體體內(nèi)傳播,最終分別導(dǎo)致晶體材料噴濺和近表面體內(nèi)損傷。3.RDX晶體表面劃痕、微坑、體內(nèi)雜質(zhì)是其主要結(jié)構(gòu)缺陷,也是起爆熱點(diǎn)形成的主要位置。本論文基于三維時域有限差分(3D-FDTD)方法系統(tǒng)地研究了不同min*()1B H Hp e--(28)-微結(jié)構(gòu)缺陷對入射激光的光場調(diào)制和激光起爆感度的影響。計算結(jié)果表明:(1)對于劃痕缺陷,單一劃痕的寬度影響比深度大,三角錐型劃痕比拋物型劃痕對入射激光的調(diào)制作用強(qiáng)。多劃痕偶合作用時,較單一劃痕更易在激光輻照下產(chǎn)生起爆熱點(diǎn)。對于平行分布劃痕,劃痕間距在?-4?之間更容易起爆。對于交叉劃痕,處于垂直相交下更易起爆。(2)對于坑狀缺陷,單個缺陷的寬度或深度越大,激光感度越高。同時,激光從缺陷所在晶面入射時更容易被起爆。兩個缺陷情況時,間隔距離為0.75?-3?產(chǎn)生最強(qiáng)激光調(diào)制作用。且缺陷的數(shù)目越多,缺陷調(diào)制作用越強(qiáng),材料越容易被起爆。(3)對于體內(nèi)缺陷如橢球體空氣泡,激光沿氣泡長軸方向入射調(diào)制作用更強(qiáng)。對于溶劑包藏型缺陷,激光沿溶劑包藏的短軸方向入射更易起爆。另外,隨著缺陷的介電系數(shù)?r逐漸增大,其對入射激光場的調(diào)制作用先增大后減小,在?r=7時,RDX有最低的激光起爆閾值。4.運(yùn)用先進(jìn)透射電子顯微分析手段獲得了RDX晶體結(jié)構(gòu)電子輻照結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù),并發(fā)現(xiàn)RDX晶體局部多重孿晶現(xiàn)象。結(jié)果表明,相比輻照總劑量,RDX晶體對高能電子注入速率更加敏感,且RDX材料的損傷閾值處于103 e/nm2?s-1量級。另外,在RDX晶體邊緣觀察到了明顯的多晶化,以及高密度原子堆壘層錯現(xiàn)象。本研究有望為原子尺度下解釋含能材料晶體結(jié)構(gòu)類型、缺陷分布及密度對起爆感度影響提供參考。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ560.1
【圖文】：

圖 1-1 典型的沖擊轉(zhuǎn)爆轟波過程[27]，含能材料的微觀結(jié)構(gòu)缺陷對熱點(diǎn)的形成以及含能材料的起爆響。因此，下面主要介紹目前炸藥微觀結(jié)構(gòu)對其起爆性能影響的驗(yàn)研究的起爆性能一直是含能材料研究工作者比較關(guān)注的問題，研究結(jié)構(gòu)化學(xué)性質(zhì)的影響，而且與炸藥晶體本身的特性密切相關(guān)。目

光的耦合系數(shù)以及藥劑的物理參數(shù)等。A. Ali[68]利用 CO2激光器作用炸藥 HMX 和 TATB，探究了起爆時間與激光、能量和起爆溫度的關(guān)系。得到對數(shù)坐標(biāo)系下，TATB 的起爆時間與功率密度率為-1.43 的線性關(guān)系；對于 HMX，在較低的功率密度時，斜率為-2，在較高率密度時，斜率為-1。而對三種高含氮量的炸藥 DHT、DAAF 和 DAATO3.5的結(jié)果表明起爆延遲時間與功率密度在對數(shù)坐標(biāo)系下斜率近似為-2[67]。不僅如此在理論上用二體起爆標(biāo)準(zhǔn)模型（DICM）對能量起爆閾值進(jìn)行了計算，其結(jié)果實(shí)值相差 10%[68]。關(guān)于激光波長對含能材料激光起爆性能的影響，有不少的學(xué)者做了相關(guān)的[62, 69-72]。H. stmark 等用連續(xù)的 CO2激光器（9-11 μm）研究了激光波長對炸爆的影響，發(fā)現(xiàn)在激光與固體材料作用的過程中，Lambert-Beer 吸收是主要的作用機(jī)理，這使得固體炸藥發(fā)生分解生成氣體產(chǎn)物[62]。V. M. Lisitsyn 等人[69]了重金屬疊氮化物在不同激光波長輻照下的情況，如圖 1-2 所示，在未約束的下（圖中空心圓），疊氮化物的起爆能量密度隨著激光單光子能量的增大而逐大。

第一章 緒論，脈寬對含能材料的激光起爆有重要的影響[18, 54, 5I. Aleksandrov 等人的結(jié)果表明 PETN 的激光起爆能0ns）的增大呈 1.4 的增長因子增大[54,73]。H. stma的起爆能量隨著脈寬的增大而增大，但在脈寬很窄外，J.T.Hagan 對比了 β-疊氮化鉛在紅寶石激光器變化情況，如圖 1-3 所示，可見，非 Q 模式（1ms的激光起爆能量閾值分別為 4.5J/cm2和 1.5mJ/cm2照下明顯具有更低的起爆閾值，含能材料更容易被

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本文編號：2773931