紫外激光辐照RDX含能材料烧蚀特性研究

晏中华,孟倪冰,徐 灿,陈朝锐,崔 巍,向 霞,祖小涛,袁晓东,谭碧生,黄 明

(1.重庆邮电大学 光电工程学院,重庆 400065;2.电子科技大学 物理学院,成都 610054;3.中国工程物理研究院 激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900;4.中国工程物理研究院 化工材料研究所,四川 绵阳 621900)

0 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[1]。含能材料的激光起爆,由文献[2]在1966年首次提出,采用了钕玻璃激光器Q开关作用模式起爆叠氮化铅和太安(pentaerythritol tetranitrate, PETN)炸药,反应速率与压制炸药的压强有关,PETN的平均反应速率为5 500 m/s。1969年文献[3]对黑索今(research department explosive, RDX)和奥克托今(high melting explosive, HMX)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[4-6]对含能材料激光起爆性能的影响。文献[4]研究了重金属叠氮化物、AgN3以及Pb(N3)2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[5-6]探究了脉宽对PETN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[1,7-10]对含能材料激光起爆性能的影响。文献[1]在PETN、梯恩梯(Trinitrotoluene, TNT)和ε-CL-20分别加入炭黑、CuO、Al纳米颗粒(nAl)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,Al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ε-CL-20的激光(波长为0.98 μm的连续激光)加热效率提高10～100倍。文献[7]的研究结果表明,随着Al纳米颗粒的含量逐渐增加,含能材料CL-20的激光起爆能量由原来的1 000 mJ减小到20～40 mJ,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[11-13],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[14]。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[11,15]。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RDX含能材料装药药柱在紫外(ultraviolet laser, UV)激光辐照下的烧蚀特性研究,借助光学显微镜(optical microscope, OM)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)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。

1 样品制备及实验装置

1.1 样品制备

本实验选用RDX为主体炸药,聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为粘结剂,质量比例为RDX/PVB/W=96.5/2.5/1,W为其他添加剂。采用相同压制工艺,将RDX含能材料压制成同一直径(10 mm)、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1所示。

表1 RDX样品参数及其激光辐照光斑面积

1.2 激光装置

本实验采用Nd:YAG脉冲激光器,激光波长为355 nm,脉宽为6.4 ns,光斑面积分别为0.6 mm2和1 mm2,激光装置如图1所示。图1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4%)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RDX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1 激光装置示意图Fig.1 Schematic diagram of laser devices

2 结果与分析

2.1 烧蚀尺寸

图2对比了5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S1—S4而言,当初始能量密度为1.3 J/cm2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2.0×105μm2左右,光斑所覆盖的范围并非所有的RDX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S2和S3,当入射激光能量密度在4.25 J/cm2时,光斑辐照范围内被全部烧蚀,而对于S1和S4而言,该能量密度则分别为11.30和5.79 J/cm2。

对比样品S1—S3,不难发现,在相同质量条件下,较厚的样品压片密度较低(如S2、S3的厚度分别为2.56和2.66 mm,压片密度约为1.44和1.38 g/cm3),RDX粉晶之间间隙较大,质地较为疏松。因此,在激光与RDX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[15]使得RDX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S1由于其样品厚度最小(2.42 mm),对应的密度最高(约为1.52 g/cm3),RDX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2 烧蚀面积和烧蚀深度随能量密度的变化关系Fig.2 Relationships between ablation area/depth and laser fluence

随着入射激光能量密度的逐渐增大,对于样品S1—S4,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27 J/cm2左右取得最大值。横向烧蚀面积最大分别为7.05×105、8.92×105、1.17×106和8.76×105μm2,纵向烧蚀深度最大分别为80.7、105.5、137.7、71.0 μm。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RDX含能材料的烧蚀程度也逐渐加剧,当能量密度增大到27 J/cm2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,使得激光诱导含能材料烧蚀无法进一步扩展,烧蚀尺寸随后逐渐减小,最终横向烧蚀面积保持在光斑面积大小的0.6 mm2附近,纵向烧蚀深度保持在60 μm左右。本实验还探究了在1 mm2光斑面积激光辐照下的烧蚀面积和深度。与0.6 mm2激光光斑辐照时类似,1 mm2时横向烧蚀面积和纵向烧蚀深度随入射激光能量密度的增大先增大后减小,在激光能量密度为19.7 J/cm2时横向烧蚀面积和纵向烧蚀深度分别取得最大值1.35×106μm2和75 μm,最终稳定在1.03×106μm2和60 μm。

因此,在相同质量、相同能量密度入射激光辐照条件下,RDX样品密度越小,烧蚀面积和烧蚀深度越大;在密度接近时(如S1和S4),质量越小,烧蚀越剧烈。同时,横向烧蚀面积和纵向烧蚀深度均随入射激光能量密度的增大先增大后减小,且最终横向烧蚀面积保持在光斑面积大小,纵向烧蚀深度保持在60 μm左右。

2.2 烧蚀形貌

为了进一步探究RDX含能材料在不同能量密度激光辐照下的烧蚀特征,以样品S3为例作进一步研究。图3所示为RDX含能材料分别在1.41、21.84和50.93 J/cm2能量密度的激光辐照下典型的烧蚀形貌图像(包括二维光学显微图像、三维形貌图像和扫描电子显微镜图像)。图3a—图3c为1.41 J/cm2能量密度辐照下的形貌图像,由图3a—图3c可见,此时RDX的横向烧蚀尺寸较小(烧蚀面积为2.00×105μm2),纵向烧蚀深度为17.21 μm。同时,高倍SEM图像表明,在激光辐照区域存在大量的RDX碎屑。随着能量密度的增大,烧蚀面积和深度也逐渐增大。图3d—图3f为21.84 J/cm2能量密度辐照下RDX的烧蚀形貌图像。此时,烧蚀面积已经增大到1.21×106μm2,而烧蚀深度为117.6 μm,伴随的激光等离子体和冲击波的作用均达到最大,因此,横向和纵向烧蚀尺寸均达到最大值。当能量密度继续增大时,横向和纵向烧蚀尺寸均逐渐减小。图3g—图3i为50.93 J/cm2能量密度辐照下RDX的烧蚀形貌图像,很明显,相比较于图3d—图3f,烧蚀尺寸和深度分别减小到7.95×105μm2和88.6 μm,横向烧蚀面积和纵向烧蚀深度逐渐向0.6 mm2光斑面积和60 μm烧蚀深度趋近,SEM图像表明,此时材料在高能激光辐照下碎粒熔融,并伴随有材料成丝。

图3 不同能量密度激光辐照下典型的烧蚀形貌Fig.3 Typical ablation morphologies of RDX energetic materials at various laser fluences

2.3 微粒喷溅

为了定量研究RDX含能材料在激光辐照烧蚀过程中伴随着的大量材料喷溅,本实验利用粒子计数器记录下了各个样品在不同激光能量密度作用下,RDX样品表面所喷溅出的微粒尺寸与数量,并将喷溅微粒的尺寸大致分为5个不同的尺寸范围,分别为:0～<0.3、0.3～<0.5、0.5～<1、1～<5和5～10 μm。图4所示为紫外激光辐照下不同RDX样品的材料喷溅微粒数。

图4 紫外激光辐照下不同RDX样品的材料喷溅微粒数Fig.4 The number of splashed micro-particles of different RDX samples under UV laser irradiation

由图4可见,对于所有样品(S1—S5),当喷溅微粒的尺寸范围在0～<0.3、0.3～<0.5以及0.5～<1 μm时,其微粒数量级大概在103～104个;微粒尺寸范围为1～<5和5～10 μm时,微粒数在102～103之间。微粒尺寸最小(0～<0.3 μm)的微粒数最多,0.3～<0.5和0.5～<1 μm内的微粒数比较接近,5～10 μm的微粒数比1～<5 μm之间的微粒数略高。具体而言,对于样品S1—S4(图4a—图4d),微粒尺寸范围为0.3～<0.5和0.5～<1 μm的微粒数量随着入射激光能量密度的增大先增多后减少,原因是当激光能量密度很小(<5 J/cm2)时,随着能量密度的增强,激光烧蚀的区域逐渐增大,激光烧蚀的微粒数逐渐增多,而当能量密度超过5 J/cm2时,由于等离子体的屏蔽等作用,使得0.3～<0.5和0.5～<1 μm的微粒数随着激光能量密度的增大而逐渐减少,并最终维持在104量级附近。微粒尺寸范围为0～<0.3 μm的微粒数在能量密度较小时,与0.3～<0.5和0.5～<1 μm的微粒数相当。而当能量密度超过20 J/cm2时,由于激光烧蚀作用显著增强,使得RDX含能材料更多地被烧蚀为更小尺寸的微粒,0～<0.3 μm微粒的数量显著提高。由于等离子体火球剧烈屏蔽大部分入射激光的余脉冲,使得烧蚀面积和深度逐渐减小,从而导致0～<0.3 μm微粒数量也相应减少。与0～<0.3、0.3～<0.5和0.5～<1 μm范围内的情况不同的是,随着入射激光能量密度的增大,更多的大尺寸微粒被激光烧蚀为较小的微粒,因此,1～<5和5～10 μm范围内微粒数基本呈现为逐渐减少的趋势。

对比样品S1—S3,不难发现,相同质量下,RDX含能材料的密度越小,激光烧蚀作用越强,材料的微粒数越多。而对比S1和S4可知,在密度相当的情况下,样品较薄的RDX材料越易被烧蚀。当用1 mm2光斑辐照时,所有范围微粒数总体呈现先减少后增多的趋势。同时,0～<0.3、0.3～<0.5和0.5～<1 μm范围内的微粒数最终稳定在104数量级,而1～5和5～10 μm范围内微粒数维持在7×103～9×103数量级。总的来说,相比较于大光斑辐照(1 mm2),小光斑辐照(0.6 mm2)的烧蚀致微粒喷溅的作用更强。

3 结束语

本文借助光学显微镜、扫描电子显微镜和微粒计数器等表征手段,开展了RDX含能材料在紫外激光辐照下,含能材料的激光致辐照烧蚀特性研究。研究结果表明,在相同能量密度激光辐照下,相同质量的RDX样品,密度越小,其质地越疏松,由等离子体火球和局部微爆所产生的冲击波使得RDX材料更容易被烧蚀,其烧蚀面积和烧蚀深度越大;而在密度接近时,RDX质量越小(样品厚度越薄),含能材料的烧蚀越剧烈。同时,随着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呈现先增大后减小的趋势,且最终横向烧蚀面积保持在光斑面积大小,纵向烧蚀深度保持在60 μm左右。随着激光能量密度的不断增大,中尺寸(0.3～<0.5和0.5～<1 μm)喷溅微粒数量先增多后减少,而大尺寸微粒(1～<5和5～10 μm)被烧蚀为较小微粒(0～<0.3 μm),其微粒数量逐渐减少。本文主要关注的是紫外激光辐照下RDX含能材料的辐照烧蚀特性,未来将进一步探究不同波段激光辐照下、不同含能材料的烧蚀特性,探究激光与含能材料的相互作用机理。