晏中华[1]2016年在《微观结构对RDX炸药晶体激光起爆性能的影响》文中进行了进一步梳理含能材料作为现代武器能量的主要来源之一,其性能优劣直接决定了整个武器系统能否良好运行。研究表明,含能材料的微观结构对不同起爆方式(如冲击波、机械起爆等)作用下的起爆性能都有着重要的影响。相比于传统起爆方式,激光起爆具有安全性高、抗干扰能力强等特点,在航空航天工业,国家防御等方面有重要应用价值。目前,含能材料的微观结构对激光起爆性能影响的研究还鲜见报道。本文研究了黑索金(RDX)炸药晶体的微观结构对其激光起爆性能的影响,探究了激光与晶体材料相互作用机理。另外,成功地运用冷场球差校正透射电子显微镜结合低温样品冷冻手段表征了RDX晶体高分辨精细结构及缺陷。论文主要研究内容及结果如下:1.研究了微观结构缺陷对RDX炸药晶体激光起爆性能的影响。结果表明,RDX晶面的微观结构缺陷会直接影响到其表面粗糙度RMS值,且随着表面粗糙度RMS值的逐渐增大,RDX晶体起爆阈值逐渐降低。同时,与RDX含能晶体的激光起爆概率相关的两个参数(拟合系数B和最小激光起爆阈值Hmin)均与RDX含能材料晶体的表面粗糙度RMS值呈指数关系。2.研究了RDX单晶片分别在紫外激光(355 nm)和近红外激光(1064 nm)辐照下的起爆特性。观察到由于RDX晶体对激光频率的不同吸收特性,导致RDX晶体在紫外激光辐照下更容易起爆。通过含能晶体的激光诱导损伤特性分析发现:(1)对于紫外激光辐照,由于RDX晶体对紫外激光的强吸收,激光诱导损伤主要发生在晶体的入光面。晶体损伤形貌可分为叁类:热熔融致微裂纹损伤、细裂纹和麻点损伤、大尺寸坑状损伤。坑状损伤包括中心核心区和周围炸裂区。随着激光能量增大,周围炸裂区损伤面积一直增大,而中心核心区的损伤面积及深度先增大,当激光能量密度达到12 J/cm2后,趋于饱和值。(2)对于近红外激光辐照,由于RDX晶体的吸收较弱,同时受激光诱导等离子体的约束作用,材料损伤主要发生在晶体的出光面。其损伤大致分为叁类:熔融致不规则微裂纹、热机械致定向细长裂纹以及大面积坑状损伤。(3)综合分析实验结果,RDX晶体的激光起爆动力学过程可描述为:首先出现等离子火球,然后,等离子体火球的膨胀形成冲击波并分别向空气和晶体体内传播,最终分别导致晶体材料喷溅和近表面体内损伤。3.RDX晶体表面划痕、微坑、体内杂质是其主要结构缺陷,也是起爆热点形成的主要位置。本论文基于叁维时域有限差分(3D-FDTD)方法系统地研究了不同min*()1B H Hp e--(28)-微结构缺陷对入射激光的光场调制和激光起爆感度的影响。计算结果表明:(1)对于划痕缺陷,单一划痕的宽度影响比深度大,叁角锥型划痕比抛物型划痕对入射激光的调制作用强。多划痕偶合作用时,较单一划痕更易在激光辐照下产生起爆热点。对于平行分布划痕,划痕间距在?-4?之间更容易起爆。对于交叉划痕,处于垂直相交下更易起爆。(2)对于坑状缺陷,单个缺陷的宽度或深度越大,激光感度越高。同时,激光从缺陷所在晶面入射时更容易被起爆。两个缺陷情况时,间隔距离为0.75?-3?产生最强激光调制作用。且缺陷的数目越多,缺陷调制作用越强,材料越容易被起爆。(3)对于体内缺陷如椭球体空气泡,激光沿气泡长轴方向入射调制作用更强。对于溶剂包藏型缺陷,激光沿溶剂包藏的短轴方向入射更易起爆。另外,随着缺陷的介电系数?r逐渐增大,其对入射激光场的调制作用先增大后减小,在?r=7时,RDX有最低的激光起爆阈值。4.运用先进透射电子显微分析手段获得了RDX晶体结构电子辐照结构稳定性参数,并发现RDX晶体局部多重孪晶现象。结果表明,相比辐照总剂量,RDX晶体对高能电子注入速率更加敏感,且RDX材料的损伤阈值处于103 e/nm2?s-1量级。另外,在RDX晶体边缘观察到了明显的多晶化,以及高密度原子堆垒层错现象。本研究有望为原子尺度下解释含能材料晶体结构类型、缺陷分布及密度对起爆感度影响提供参考。
沈美[2]2004年在《激光与含能材料相互作用机理研究》文中提出本论文研究了激光与B／KNO_3相互作用过程中的烧蚀和等离子体现象，提出了激光与含能材料作用机理不仅是热传导的过程，而且是一个经历烧蚀以及等离子体化的过程，初步建立了考虑烧蚀因素的激光与含能材料作用的数学模型。 实验中通过扫描电镜观察药剂表面的烧蚀情况；通过平行电极板法研究等离子体现象；根据飞行质谱仪谱图分析产生的离子的成分；在B／KNO_3药剂表面加塑料薄膜以及在药剂中加入酚醛树脂进行激光点火性能的对比，根据感度和点火延滞期随激光能量密度的变化来反映激光产生的烧蚀及等离子体的强弱。 实验结果表明：(1)B／KNO_3的点火延滞期随激光能量的增加先增大后减小，并且存在一个最佳能量密度；(2)激光与B／KNO_3作用过程中存在烧蚀和等离子体现象；(3)酚醛树脂在B／KNO_3中起粘结作用，阻止因烧蚀和溅射导致物质和能量从作用药剂表面流入环境，提高了B／KNO_3的点火感度，降低了点火延滞期；(4)薄膜阻止了烧蚀物质量溅射和能量的流失，提高了激光能量的利用率；(5)飞行质谱仪谱图中离子间的复合现象证明了气相化学反应的存在。
李雪飞[3]2005年在《激光与含能材料相互作用的实验研究和数值模拟》文中研究说明激光点火是一种新型的点传火技术,存在很多人们目前无法全面了解的因素影响着点火性能。在激光点火系统中,激光能量的传输和耦合效果对激光点火非常重要,可用实验的方法测量能量传输过程中的能量损耗。另外,由于含能材料激光点火的瞬时性和复杂性,在目前还无法全面地了解含能材料的激光点火特性,因此采用数值模拟的方法来分析含能材料的激光点火特性。本文用实验和数值模拟的方法分析了影响激光点火的因素。 主要内容如下: (1) 分析了激光作为理想点火源的特性,给出了激光点火的作用机理和激光能量在含能材料内部的分布规律。 (2) 进行激光能量散布、传输和耦合实验。用能量计测量各种情况下输出端的激光能量,对实验数据进行分析,探讨激光能量传输和耦合过程中各种因素对能量传输损耗的影响,分析了影响分束光纤各点火点能量均匀性的因素。 (3) 以热作用机理为基础,建立了含能材料激光点火过程强瞬态热传导—气动力耦合模型,进行数值模拟。通过计算分析了激光能量、光斑面积、含能材料吸收系数等因素对激光点火过程的影响。
高东升[4]2006年在《激光与含能材料相互作用机理研究》文中研究表明本论文研究了Nd~(3+)：YAG激光与含能材料互作用的特性和机理。其主要内容如下： (1) 测试和分析了B／KNO_3、硝酸肼镍(NHN)和Zr／KClO_4的激光点火感度和点火延滞期等激光点火特性。结果表明，随着激光能量密度的增大，点火延滞期缩短，当激光能量密度增大到一定值时，点火延滞期由于烧蚀和等离子体的影响会出现延长的趋势；同时还研究了Zr／KClO_4质量配比对其激光点火性能的影响，结果表明，当质量配比为1：1时药剂的激光点火感度最高； (2) 研究了在RDX、HNS、PETN和HMX中掺杂硼和碳以及在其表面覆盖一层玻璃窗口以形成密闭体系对上述药剂激光起爆特性的影响。通过扫描电镜观察敞口条件下经激光作用后药剂表面烧蚀坑的情况。在RDX、HNS、PETN和HMX中搀杂硼和碳可以明显的提高药剂的激光吸收率，因而提高药剂的点火感度，缩短了点火延滞期。密闭体系抑制了物质和能量从药剂表面流失，从而提高了药剂的点火感度，缩短了点火延滞期； (3) 研究了在敞口和密闭体系下，B／KNO_3(40／60)以及B／KNO_3／酚醛树脂(40／60／5)的激光点火特性。结果表明，搀杂酚醛树脂和密闭体系都可以抑制B／KNO_3的烧蚀，提高了点火感度，缩短了点火延滞期； (4) 从热机理出发，建立了激光点火一维和二维有限差分模型，并模拟了不同激光和药剂参数条件下药剂表面温度的变化过程。模拟结果表明，一维模型模拟的点火感度和实验值比较吻合，点火延滞期模拟值在能量密度小于2J／cm~2时和实验值较吻合，当能量密度大于2J／cm~2时和实验值相差一个数量级；二维模型模拟的点火感度和实验值相差较大，而点火延滞期比较吻合； (5) 在激光点火一维模型的基础上，建立了熔化和烧蚀物理模型，推出了熔化潜热和烧蚀潜热的计算公式，并利用上述模型模拟了激光作用下药剂表面温度变化过程。结果表明，熔化模型模拟的温度在达到药剂熔点时保持不变，当吸收的热量积累到熔化潜热后，温度继续上升；熔化模型模拟的温度达到烧蚀温度后，表面温度出现振荡分布。
舒浪平[5]2005年在《激光与含能材料相互作用的机理和特性研究》文中指出论文研究了激光与点火药剂B/KNO_3相互作用的机理和特性,重点研究了点火过程中的等离子体特性和参数以及等离子体对激光点火过程的影响。通过平行电极板法测试了药剂点火过程中的等离子体电特性参数,通过单色仪测试了等离子体的光谱特性,并对激光点火的物理模型进行了分析和评价。实验结果表明: (1) 酚醛树脂对药剂的激光点火特性有影响,提高了药剂的激光点火感度,降低了药剂的激光点火延迟时间。(2) 激光等离子体的产生有一个点燃时间和点燃阈值。等离子体产生时,激光能量密度越大,等离子体密度也越大。(3) 点火药剂等离子体的点燃阈值在10~4W·cm~(-2)数量级,远远小于一般材料的等离子体点燃阈值。点燃时间在μs数量级。(4) 计算得到等离子体流的电荷通量在10~(-5)c·mm~(-2)·s~(-1)数量级,等离子体流中粒子的平均动能在10~3～10~4eV,大于燃烧火焰的计算值(10~2eV)。(5) 激光等离子体的波长在紫外区和可见区,并且在540nm～570nm之间出现峰值强度。(6) 定性研究了等离子体对的激光的屏蔽作用,证明了等离子体对激光点火存在影响。(7) 激光点火的物理模型必须考虑质量守恒和烧蚀气化、等离子体对点火的影响作用,才能使模拟结果与实验相符合。
王子庚[6]2007年在《激光点火过程中介质效应研究》文中研究说明论文研究了敞口状态下激光与点火药剂B／KNO_3相互作用特性和介质(玻璃透窗、镀铜膜透窗和镀铝膜透窗)对激光点火过程的影响。实验着重进行了激光与介质相互作用实验研究和激光—介质—药剂(质量比40／60的B／KNO_3)相互作用实验研究。主要内容如下：(1)进行了敝口状态下不同配比B／KNO_3和B／KNO_3／酚醛树脂的激光点火特性研究。结果表明，B／KNO_3药剂质量比为50／50时激光感度最高(7.6mJ)，B／KNO_3／酚醛树脂药剂质量比为40／60／5时激光感度最高(4.05mJ)。掺杂酚醛树脂粘结剂明显提高了药剂的激光感度。点火延滞期随能量密度的增大呈减小的趋势；(2)测试了不同介质的激光透过率，拟合得到透过率方程。用高速摄影仪拍摄了激光与镀膜透窗相互作用过程，并用Mach—Zehnder干涉法记录了该过程中产生的干涉条纹，计算得到金属膜表面的温度分布；(3)进行了激光—介质—药剂相互作用特性研究。结果表明，介质的加入降低了点火感度，缩短了点火延滞期。其中自由振荡激光照射加玻璃透窗药剂样品的点火感度最高(26.3mJ)，点火延滞期最短；(4)采用高速摄影仪拍摄了B／KNO_3(40／60)激光点火过程，成功地拍摄了敞口状态下激光点火“二次燃烧”现象，首次发现了有介质密闭状态下激光(主要是自由振荡激光)点火“叁次燃烧”现象；(5)初步建立了含玻璃透窗相的一维有限差分模型，模拟得到结果与实验值基本吻合。
王惠娥[7]2014年在《含能材料的反应性光声特性研究》文中指出反应性光声谱是光热光声谱和化学反应热声谱的复合光声谱。反应性光声谱技术的核心技术是高灵敏度和高信噪比的检测动态的反应性光声谱。科学问题是将传统光声谱和化学反应声谱从反应性光声谱中分离出来,并且进行化学动力学解算,而目前这两方面的问题尚未得到实质性解决。为了更好地了解化学反应动力学与光声谱之间的关联性,本文针对具有不同反应性和热效应的含能材料开展了反应性光声特性和规律研究,获得了化学反应与光声信号的关联性,为反应性光声技术的定量分析奠定了基础。本文采用脉冲激光引发的反应性光声实验技术、光反射率分析技术、TG-DSC热分析技术、辐射光谱分析技术、激光共聚焦显微分析技术和高速图像分析技术等先进的分析技术,结合数值模拟,对硝酸钾(KN03)／石墨(C),碳纳米管(CNTs)和碳黑(CB)掺杂的黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)、太安(PETN)和六硝基芪(HNS)等典型含能材料的光学特性、热化学反应特性、激光烧蚀与点火特性和反应性光声特性等开展了实验研究,结合数学建模和数值模拟等理论分析,揭示了含能材料的化学反应性与反应性光声特性的内在关系和反应性光声谱激发机理,取得了如下研究进展。(1) KNO3/C含能材料的反应属于固相反应,硝酸钾含量为75%-80%时反应相对完全,其动力学过程至少存在叁个以上的化学反应历程。激光与KNO3/C药剂相互作用时,能导致KNO3/C发生化学反应和烧蚀,并且激发出相应的反应性光声波和辐射光。KNO3/C样品反应性光声的强度主要决定于KNO3/C体系的热化学反应特性—即气体产物的多少和热效应的大小。反应性光声信号除了表现出普通光声信号所具有的光声信号强度与入射激光强度成正比的关系外,还体现出化学反应活性和放热量的增加对光声强度具有明显的增强作用。反应性光声峰值在时域上滞后激光脉冲持续时间,这表明反应性物质在激光作用后的热化学反应是光声强度的主要贡献者。化学反应和烧蚀解离的气体产物对光声信号的增强作用更为显着。激光作用于KNO3/C药剂的辐射光谱具有线状光谱的特征,光谱波长分布在300nm～600nm之间,其组成主要是N、O、C和K的原子光谱和离子光谱。激光能量较高时光谱组成主要是N、O、 K、C的原子光谱和NⅡ、OⅡ、OV、KICV离子光谱,化学反应发生在KN03和C之间；激光能量较低时多数是氧离子(OⅡ)和钾原子(K Ⅰ),化学反应主要是硝酸钾的分解反应,多余的热量用于C的吸热升温。(2)对CB和CNTs的光反射率分析表明,CNTs的光反射率比炭黑小约30%。纯的炸药对激光反射率很大,光声信号很弱,其光声强度与入射激光能量成正比。通过在典型的RDX、 HMX、PETN和HNS猛炸药中掺杂CB和CNTs,掺杂处理后的炸药的光反射率减小,炸药的光吸收率提高,激光作用于炸药的光声信号明显增强。同一炸药,同一掺杂量下掺杂CNTs的光声信号强于掺杂CB的效果；同一炸药,掺杂物相同,掺杂量越大光声信号越强。掺杂体系存在一最佳点火能量。在对激光能量(E)与光声信号达到峰值时间(τ延滞期)的变化规律的研究中发现几种炸药E～τ之间的关系呈双曲线。KNO3/C体系E-T之间的关系呈抛物线,是二次函数,随着激光能量的增大延滞期T呈现先增大后减小的规律,光声信号的强度一直呈增大趋势,即KNO3/C体系在激光作用下入射激光能量与光声信号强度成正比。表明KNO3/C体系与炸药体系在激光作用下动力学特征有明显不同。(3)建立了考虑光热效应、凝聚相化学反应和气化相变等因素的反应性光声模型,并且对反应性光声模型进行了数值模拟,获得的光声信号特征和相关因素的影响规律与实验数据基本一致。数值分析结果表明光声信号的强度与入射激光能量、气体产物、样品的反应热等密切相关。在影响光声信号强度的因素中,入射激光能量的影响最为显着,其次是化学反应或烧蚀生成的气体产物,再次是化学反应的反应热。本篇论文在以下几个方面有创新性和突破性进展：(1)系统地获得了KNO3/C、掺杂炭黑和碳纳米管的RDX、 HMX、 PETN和HNS等炸药等的光学特性、热化学反应特性、脉冲激光作用下的反应性光声特性和脉冲激光烧蚀特性,确定了这些特性之间的相关关系；(2)揭示了化学反应性与光声特性的对应关系,化学反应声的激发机理,并且建立了含化学反应和烧蚀气化的固体光声模型。在理论上揭示了反应性光声的反应热和相变激发机理,以及化学反应热效应和气体生成物与反应性光声特性的量化关系。
王震[8]2004年在《含能材料激光点火过程的模型建立及其数值计算》文中指出由于含能材料激光点火过程的瞬时性和复杂性，在目前的实验条件下难以全面地了解含能材料的激光点火特性，因此用数值模拟方法来分析含能材料的激光点火特性受到人们的普遍重视。本文的目的是通过所建立的数学模型，用数值模拟的方法来分析激光点火特性。 本文包含以下几个主要内容： (1)含能材料在吸收激光的条件下会产生热，本文首先求出激光点火热流方程的解析解，给出了近似的点火时间、点火能量与光学参数及材料物理参数的关系： (2)以热机理为基础，建立了激光点火过程的一维模型，并在一维模型的基础上，建立了激光点火过程的二维非稳态热传导模型，在二维模型中考虑了激光光能分布、反应物质量分数、对流换热和热辐射等因素对点火过程的影响。采用交替方向隐式算法求解偏微分方程。并以Mg／NaNO_3药剂为研究对象，通过计算分析了激光脉宽、光束半径、材料热传导系数、深度吸收等因素对点火的影响； (3)运用传热、传质和光学理论，建立了火药激光点火过程的气相反应模型，并使用稳定性好、精度高的Crank-Nicolson格式求解方程。以RDX为研究对象，探讨了激光功率和压强等参数对点火过程的影响； (4)运用所建模型对激光点火规律进行了分析比较，并能在一定范围内预测含能材料在激光作用下的行为特性。
舒浪平, 沈美, 沈瑞琪, 叶迎华[9]2005年在《激光对B/KNO_3药剂作用现象的研究》文中认为通过激光点火性能试验、电镜扫描分析(EMS)、差热分析(DTA)研究了激光与B/KNO3点火药相互作用过程中药剂表面的烧蚀情况,以及溅射物质在激光点火中所起的作用。研究结果表明,激光烧蚀药剂时,一部分药剂分子会溅射出药剂表面,损失凝聚相的能量。通过在药剂中加入酚醛树脂和表面压加薄膜,阻止了烧蚀物质的溅射和减少凝聚相能量的损失,提高了药剂的激光点火感度,小激光能量时也缩短了药剂的点火延迟时间。
王文亭, 胡冰, 王明伟[10]2013年在《飞秒激光精细加工含能材料》文中提出介绍了飞秒激光脉冲特点及其与物质相互作用机理,论述了飞秒激光微加工含能材料技术特点及优势,综述了飞秒激光加工含能材料技术及发展.讨论了飞秒激光加工含能材料技术进一步发展所需的实验与理论研究工作以及相应的研究方案和关键技术.
参考文献：
[1]. 微观结构对RDX炸药晶体激光起爆性能的影响[D]. 晏中华. 电子科技大学. 2016
[2]. 激光与含能材料相互作用机理研究[D]. 沈美. 南京理工大学. 2004
[3]. 激光与含能材料相互作用的实验研究和数值模拟[D]. 李雪飞. 南京理工大学. 2005
[4]. 激光与含能材料相互作用机理研究[D]. 高东升. 南京理工大学. 2006
[5]. 激光与含能材料相互作用的机理和特性研究[D]. 舒浪平. 南京理工大学. 2005
[6]. 激光点火过程中介质效应研究[D]. 王子庚. 南京理工大学. 2007
[7]. 含能材料的反应性光声特性研究[D]. 王惠娥. 南京理工大学. 2014
[8]. 含能材料激光点火过程的模型建立及其数值计算[D]. 王震. 南京理工大学. 2004
[9]. 激光对B/KNO_3药剂作用现象的研究[J]. 舒浪平, 沈美, 沈瑞琪, 叶迎华. 火工品. 2005
[10]. 飞秒激光精细加工含能材料[J]. 王文亭, 胡冰, 王明伟. 物理学报. 2013
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