紫外激光輻照RDX含能材料燒蝕特性研究

晏中華,孟倪冰,徐 燦,陳朝銳,崔 巍,向 霞,祖小濤,袁曉東,譚碧生,黃 明

(1.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院,重慶 400065;2.電子科技大學(xué) 物理學(xué)院,成都 610054;3.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心,四川 綿陽 621900;4.中國工程物理研究院 化工材料研究所,四川 綿陽 621900)

0 引 言

激光起爆技術(shù)具有高精度、易安全操作等優(yōu)良特性,在航空航天工業(yè)、國防技術(shù)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景[1]。含能材料的激光起爆,由文獻(xiàn)[2]在1966年首次提出,采用了釹玻璃激光器Q開關(guān)作用模式起爆疊氮化鉛和太安(pentaerythritol tetranitrate, PETN)炸藥,反應(yīng)速率與壓制炸藥的壓強(qiáng)有關(guān),PETN的平均反應(yīng)速率為5 500 m/s。1969年文獻(xiàn)[3]對(duì)黑索今(research department explosive, RDX)和奧克托今(high melting explosive, HMX)的激光起爆,分別從熱起爆、光化學(xué)起爆、沖擊起爆以及激光引發(fā)電離起爆等方面進(jìn)行了起爆機(jī)理的討論。自那以后,人們對(duì)激光與含能材料的相互作用做了大量的研究,關(guān)注激光器參數(shù)[4-6]對(duì)含能材料激光起爆性能的影響。文獻(xiàn)[4]研究了重金屬疊氮化物、AgN3以及Pb(N3)2在不同激光波長下的輻照,并從含能材料帶隙角度分析激光起爆機(jī)理。文獻(xiàn)[5-6]探究了脈寬對(duì)PETN激光起爆能量閾值的影響,結(jié)果表明,起爆能量密度隨著激光束脈寬的增大而增大。

除了探究激光器參數(shù)對(duì)含能材料激光起爆性能的影響外,近年來,部分學(xué)者研究了光敏添加劑或雜質(zhì)[1,7-10]對(duì)含能材料激光起爆性能的影響。文獻(xiàn)[1]在PETN、梯恩梯(Trinitrotoluene, TNT)和ε-CL-20分別加入炭黑、CuO、Al納米顆粒(nAl)和碳納米管等光吸收添加劑,結(jié)果表明,相對(duì)于其他幾種添加劑,Al納米顆粒由于其較高的熱吸收效率和較好的分散性,使其成為最佳的光吸收添加劑,可將ε-CL-20的激光(波長為0.98 μm的連續(xù)激光)加熱效率提高10～100倍。文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果表明,隨著Al納米顆粒的含量逐漸增加,含能材料CL-20的激光起爆能量由原來的1 000 mJ減小到20～40 mJ,其激光起爆性能顯著提高。

上述研究成果對(duì)于探究激光與含能材料的相互作用機(jī)理,推動(dòng)激光起爆技術(shù)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。研究表明,在激光與含能材料的相互作用過程中,常常伴隨著大量激光輻照致含能材料燒蝕/損傷現(xiàn)象[11-13],關(guān)于這些現(xiàn)象的進(jìn)一步研究對(duì)于理解激光與含能材料相互作用機(jī)理,指導(dǎo)激光起爆含能材料技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要[14]。在本課題組早期的研究中,主要也探究了大尺寸的含能材料晶體塊的激光輻照燒蝕特性[11,15]。關(guān)于含能材料裝藥藥柱的激光輻照燒蝕特性的研究,目前的報(bào)道比較少。

基于以上研究現(xiàn)狀,本文開展了RDX含能材料裝藥藥柱在紫外(ultraviolet laser, UV)激光輻照下的燒蝕特性研究,借助光學(xué)顯微鏡(optical microscope, OM)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)和微粒計(jì)數(shù)器等表征手段對(duì)含能材料激光致燒蝕特性進(jìn)行表征。該研究結(jié)果將有助于理解激光與含能材料相互作用機(jī)理,指導(dǎo)含能材料的制備工藝,促進(jìn)激光起爆技術(shù)的發(fā)展。

1 樣品制備及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 樣品制備

本實(shí)驗(yàn)選用RDX為主體炸藥,聚乙烯醇縮丁醛(PVB)為粘結(jié)劑,質(zhì)量比例為RDX/PVB/W=96.5/2.5/1,W為其他添加劑。采用相同壓制工藝,將RDX含能材料壓制成同一直徑(10 mm)、不同質(zhì)量、不同厚度的圓形壓片,其具體的樣品參數(shù)及其激光輻照光斑面積如表1所示。

表1 RDX樣品參數(shù)及其激光輻照光斑面積

1.2 激光裝置

本實(shí)驗(yàn)采用Nd:YAG脈沖激光器,激光波長為355 nm,脈寬為6.4 ns,光斑面積分別為0.6 mm2和1 mm2,激光裝置如圖1所示。圖1中,納秒激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)過分束器反射小部分激光能量(約4%)到能量探測器中,用于主光路的能量監(jiān)測,而絕大部分能量則經(jīng)過透鏡聚焦到樣品表面。同時(shí),在樣品的正下方放置微粒計(jì)數(shù)器,用于記錄激光輻照燒蝕RDX樣品時(shí)所噴濺的微粒數(shù)量及尺寸。二維平移臺(tái)用于移動(dòng)樣品,而氦氖激光則作為準(zhǔn)直光指示激光的路徑和到達(dá)樣品的位置。

圖1 激光裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser devices

2 結(jié)果與分析

2.1 燒蝕尺寸

圖2對(duì)比了5種不同樣品的激光燒蝕面積和燒蝕深度隨入射激光能量密度的變化關(guān)系。對(duì)于樣品S1—S4而言,當(dāng)初始能量密度為1.3 J/cm2時(shí),各樣品便出現(xiàn)輻照燒蝕,此時(shí)橫向燒蝕尺寸差異不明顯,初始燒蝕面積均在2.0×105μm2左右,光斑所覆蓋的范圍并非所有的RDX材料,而僅僅是位于光斑中心激光能量較高的部分。隨著入射激光能量逐漸增強(qiáng),光斑覆蓋范圍致燒蝕的激光束越來越多,各樣品的橫向燒蝕面積也不斷增大。對(duì)于樣品S2和S3,當(dāng)入射激光能量密度在4.25 J/cm2時(shí),光斑輻照范圍內(nèi)被全部燒蝕,而對(duì)于S1和S4而言,該能量密度則分別為11.30和5.79 J/cm2。

對(duì)比樣品S1—S3,不難發(fā)現(xiàn),在相同質(zhì)量條件下,較厚的樣品壓片密度較低(如S2、S3的厚度分別為2.56和2.66 mm,壓片密度約為1.44和1.38 g/cm3),RDX粉晶之間間隙較大,質(zhì)地較為疏松。因此,在激光與RDX材料作用過程中,由激光等離子體火球和含能材料的局部微爆所引起的沖擊波[15]使得RDX材料更容易被燒蝕,致使在相同能量密度條件下,其燒蝕的面積更大。樣品S1由于其樣品厚度最小(2.42 mm),對(duì)應(yīng)的密度最高(約為1.52 g/cm3),RDX粉晶之間的間隙最小,質(zhì)地更加緊實(shí),沖擊波導(dǎo)致的材料燒蝕較少,相同橫向燒蝕尺寸下,需要的入射激光能量密度更大。

圖2 燒蝕面積和燒蝕深度隨能量密度的變化關(guān)系Fig.2 Relationships between ablation area/depth and laser fluence

隨著入射激光能量密度的逐漸增大,對(duì)于樣品S1—S4,橫向燒蝕面積和縱向燒蝕深度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,并在27 J/cm2左右取得最大值。橫向燒蝕面積最大分別為7.05×105、8.92×105、1.17×106和8.76×105μm2,縱向燒蝕深度最大分別為80.7、105.5、137.7、71.0 μm。當(dāng)入射激光能量密度逐漸增大,等離子體火球和含能材料的局部微爆所引起的沖擊波也逐漸增強(qiáng),致使RDX含能材料的燒蝕程度也逐漸加劇,當(dāng)能量密度增大到27 J/cm2時(shí),等離子體火球吸收在其中傳播的激光束能量,使自身溫度升高。等離子體火球劇烈屏蔽大部分入射激光的余脈沖,使得激光誘導(dǎo)含能材料燒蝕無法進(jìn)一步擴(kuò)展,燒蝕尺寸隨后逐漸減小,最終橫向燒蝕面積保持在光斑面積大小的0.6 mm2附近,縱向燒蝕深度保持在60 μm左右。本實(shí)驗(yàn)還探究了在1 mm2光斑面積激光輻照下的燒蝕面積和深度。與0.6 mm2激光光斑輻照時(shí)類似,1 mm2時(shí)橫向燒蝕面積和縱向燒蝕深度隨入射激光能量密度的增大先增大后減小,在激光能量密度為19.7 J/cm2時(shí)橫向燒蝕面積和縱向燒蝕深度分別取得最大值1.35×106μm2和75 μm,最終穩(wěn)定在1.03×106μm2和60 μm。

因此,在相同質(zhì)量、相同能量密度入射激光輻照條件下,RDX樣品密度越小,燒蝕面積和燒蝕深度越大;在密度接近時(shí)(如S1和S4),質(zhì)量越小,燒蝕越劇烈。同時(shí),橫向燒蝕面積和縱向燒蝕深度均隨入射激光能量密度的增大先增大后減小,且最終橫向燒蝕面積保持在光斑面積大小,縱向燒蝕深度保持在60 μm左右。

2.2 燒蝕形貌

為了進(jìn)一步探究RDX含能材料在不同能量密度激光輻照下的燒蝕特征,以樣品S3為例作進(jìn)一步研究。圖3所示為RDX含能材料分別在1.41、21.84和50.93 J/cm2能量密度的激光輻照下典型的燒蝕形貌圖像(包括二維光學(xué)顯微圖像、三維形貌圖像和掃描電子顯微鏡圖像)。圖3a—圖3c為1.41 J/cm2能量密度輻照下的形貌圖像,由圖3a—圖3c可見,此時(shí)RDX的橫向燒蝕尺寸較小(燒蝕面積為2.00×105μm2),縱向燒蝕深度為17.21 μm。同時(shí),高倍SEM圖像表明,在激光輻照區(qū)域存在大量的RDX碎屑。隨著能量密度的增大,燒蝕面積和深度也逐漸增大。圖3d—圖3f為21.84 J/cm2能量密度輻照下RDX的燒蝕形貌圖像。此時(shí),燒蝕面積已經(jīng)增大到1.21×106μm2,而燒蝕深度為117.6 μm,伴隨的激光等離子體和沖擊波的作用均達(dá)到最大,因此,橫向和縱向燒蝕尺寸均達(dá)到最大值。當(dāng)能量密度繼續(xù)增大時(shí),橫向和縱向燒蝕尺寸均逐漸減小。圖3g—圖3i為50.93 J/cm2能量密度輻照下RDX的燒蝕形貌圖像,很明顯,相比較于圖3d—圖3f,燒蝕尺寸和深度分別減小到7.95×105μm2和88.6 μm,橫向燒蝕面積和縱向燒蝕深度逐漸向0.6 mm2光斑面積和60 μm燒蝕深度趨近,SEM圖像表明,此時(shí)材料在高能激光輻照下碎粒熔融,并伴隨有材料成絲。

圖3 不同能量密度激光輻照下典型的燒蝕形貌Fig.3 Typical ablation morphologies of RDX energetic materials at various laser fluences

2.3 微粒噴濺

為了定量研究RDX含能材料在激光輻照燒蝕過程中伴隨著的大量材料噴濺,本實(shí)驗(yàn)利用粒子計(jì)數(shù)器記錄下了各個(gè)樣品在不同激光能量密度作用下,RDX樣品表面所噴濺出的微粒尺寸與數(shù)量,并將噴濺微粒的尺寸大致分為5個(gè)不同的尺寸范圍,分別為:0～<0.3、0.3～<0.5、0.5～<1、1～<5和5～10 μm。圖4所示為紫外激光輻照下不同RDX樣品的材料噴濺微粒數(shù)。

圖4 紫外激光輻照下不同RDX樣品的材料噴濺微粒數(shù)Fig.4 The number of splashed micro-particles of different RDX samples under UV laser irradiation

由圖4可見,對(duì)于所有樣品(S1—S5),當(dāng)噴濺微粒的尺寸范圍在0～<0.3、0.3～<0.5以及0.5～<1 μm時(shí),其微粒數(shù)量級(jí)大概在103～104個(gè);微粒尺寸范圍為1～<5和5～10 μm時(shí),微粒數(shù)在102～103之間。微粒尺寸最小(0～<0.3 μm)的微粒數(shù)最多,0.3～<0.5和0.5～<1 μm內(nèi)的微粒數(shù)比較接近,5～10 μm的微粒數(shù)比1～<5 μm之間的微粒數(shù)略高。具體而言,對(duì)于樣品S1—S4(圖4a—圖4d),微粒尺寸范圍為0.3～<0.5和0.5～<1 μm的微粒數(shù)量隨著入射激光能量密度的增大先增多后減少,原因是當(dāng)激光能量密度很小(<5 J/cm2)時(shí),隨著能量密度的增強(qiáng),激光燒蝕的區(qū)域逐漸增大,激光燒蝕的微粒數(shù)逐漸增多,而當(dāng)能量密度超過5 J/cm2時(shí),由于等離子體的屏蔽等作用,使得0.3～<0.5和0.5～<1 μm的微粒數(shù)隨著激光能量密度的增大而逐漸減少,并最終維持在104量級(jí)附近。微粒尺寸范圍為0～<0.3 μm的微粒數(shù)在能量密度較小時(shí),與0.3～<0.5和0.5～<1 μm的微粒數(shù)相當(dāng)。而當(dāng)能量密度超過20 J/cm2時(shí),由于激光燒蝕作用顯著增強(qiáng),使得RDX含能材料更多地被燒蝕為更小尺寸的微粒,0～<0.3 μm微粒的數(shù)量顯著提高。由于等離子體火球劇烈屏蔽大部分入射激光的余脈沖,使得燒蝕面積和深度逐漸減小,從而導(dǎo)致0～<0.3 μm微粒數(shù)量也相應(yīng)減少。與0～<0.3、0.3～<0.5和0.5～<1 μm范圍內(nèi)的情況不同的是,隨著入射激光能量密度的增大,更多的大尺寸微粒被激光燒蝕為較小的微粒,因此,1～<5和5～10 μm范圍內(nèi)微粒數(shù)基本呈現(xiàn)為逐漸減少的趨勢。

對(duì)比樣品S1—S3,不難發(fā)現(xiàn),相同質(zhì)量下,RDX含能材料的密度越小,激光燒蝕作用越強(qiáng),材料的微粒數(shù)越多。而對(duì)比S1和S4可知,在密度相當(dāng)?shù)那闆r下,樣品較薄的RDX材料越易被燒蝕。當(dāng)用1 mm2光斑輻照時(shí),所有范圍微粒數(shù)總體呈現(xiàn)先減少后增多的趨勢。同時(shí),0～<0.3、0.3～<0.5和0.5～<1 μm范圍內(nèi)的微粒數(shù)最終穩(wěn)定在104數(shù)量級(jí),而1～5和5～10 μm范圍內(nèi)微粒數(shù)維持在7×103～9×103數(shù)量級(jí)?？偟膩碚f,相比較于大光斑輻照(1 mm2),小光斑輻照(0.6 mm2)的燒蝕致微粒噴濺的作用更強(qiáng)。

3 結(jié)束語

本文借助光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和微粒計(jì)數(shù)器等表征手段,開展了RDX含能材料在紫外激光輻照下,含能材料的激光致輻照燒蝕特性研究。研究結(jié)果表明,在相同能量密度激光輻照下,相同質(zhì)量的RDX樣品,密度越小,其質(zhì)地越疏松,由等離子體火球和局部微爆所產(chǎn)生的沖擊波使得RDX材料更容易被燒蝕,其燒蝕面積和燒蝕深度越大;而在密度接近時(shí),RDX質(zhì)量越小(樣品厚度越薄),含能材料的燒蝕越劇烈。同時(shí),隨著激光能量密度的不斷增大,含能材料的橫向燒蝕面積和縱向燒蝕深度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且最終橫向燒蝕面積保持在光斑面積大小,縱向燒蝕深度保持在60 μm左右。隨著激光能量密度的不斷增大,中尺寸(0.3～<0.5和0.5～<1 μm)噴濺微粒數(shù)量先增多后減少,而大尺寸微粒(1～<5和5～10 μm)被燒蝕為較小微粒(0～<0.3 μm),其微粒數(shù)量逐漸減少。本文主要關(guān)注的是紫外激光輻照下RDX含能材料的輻照燒蝕特性,未來將進(jìn)一步探究不同波段激光輻照下、不同含能材料的燒蝕特性,探究激光與含能材料的相互作用機(jī)理。