微观结构对RDX炸药晶体激光起爆性能的影响

发布时间：2020-07-29 11:53

【摘要】：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三类: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。其损伤大致分为三类: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。本论文基于三维时域有限差分(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,三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。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ560.1
【图文】：

图 1-1 典型的冲击转爆轰波过程[27]，含能材料的微观结构缺陷对热点的形成以及含能材料的起爆响。因此，下面主要介绍目前炸药微观结构对其起爆性能影响的验研究的起爆性能一直是含能材料研究工作者比较关注的问题，研究结构化学性质的影响，而且与炸药晶体本身的特性密切相关。目

光的耦合系数以及药剂的物理参数等。A. Ali[68]利用 CO2激光器作用炸药 HMX 和 TATB，探究了起爆时间与激光、能量和起爆温度的关系。得到对数坐标系下，TATB 的起爆时间与功率密度率为-1.43 的线性关系；对于 HMX，在较低的功率密度时，斜率为-2，在较高率密度时，斜率为-1。而对三种高含氮量的炸药 DHT、DAAF 和 DAATO3.5的结果表明起爆延迟时间与功率密度在对数坐标系下斜率近似为-2[67]。不仅如此在理论上用二体起爆标准模型（DICM）对能量起爆阈值进行了计算，其结果实值相差 10%[68]。关于激光波长对含能材料激光起爆性能的影响，有不少的学者做了相关的[62, 69-72]。H. stmark 等用连续的 CO2激光器（9-11 μm）研究了激光波长对炸爆的影响，发现在激光与固体材料作用的过程中，Lambert-Beer 吸收是主要的作用机理，这使得固体炸药发生分解生成气体产物[62]。V. M. Lisitsyn 等人[69]了重金属叠氮化物在不同激光波长辐照下的情况，如图 1-2 所示，在未约束的下（图中空心圆），叠氮化物的起爆能量密度随着激光单光子能量的增大而逐大。

第一章 绪论，脉宽对含能材料的激光起爆有重要的影响[18, 54, 5I. Aleksandrov 等人的结果表明 PETN 的激光起爆能0ns）的增大呈 1.4 的增长因子增大[54,73]。H. stma的起爆能量随着脉宽的增大而增大，但在脉宽很窄外，J.T.Hagan 对比了 β-叠氮化铅在红宝石激光器变化情况，如图 1-3 所示，可见，非 Q 模式（1ms的激光起爆能量阈值分别为 4.5J/cm2和 1.5mJ/cm2照下明显具有更低的起爆阈值，含能材料更容易被

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本文编号：2773931