微观结构对RDX炸药晶体激光起爆性能的影响

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（此次公式省略）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103e/nm2s-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。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 含能材料微观结构影响起爆性能的研究进展

1.3 含能材料激光起爆的研究现状

1.4 激光与含能材料相互作用机理

1.5 本论文主要研究内容及创新点

第二章 晶体生长理论与微观结构表征

2.1 引言

2.2 晶体生长理论

2.3 含能材料晶体生长

2.4 含能材料微观结构表征

2.5 本章小结

第三章 表面粗糙度对RDX炸药晶体激光感度的影响

3.1 引言

3.2 RDX晶体样品准备

3.3 样品表征

3.4 激光起爆实验

3.5 本章小结

第四章 RDX炸药晶体不同波长激光的起爆特性研究

4.1 引言

4.2 样品制备

4.3 实验装置

4.4 实验结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 微结构缺陷对RDX晶体激光感度影响的计算模拟

5.1 引言

5.2 FDTD方法概述

5.3 RDX炸药晶体划痕缺陷对激光光场的调制

5.4 RDX炸药晶体坑状缺陷对激光光场的调制

5.5 RDX炸药晶体体内杂质对激光光场的调制

5.6 微结构缺陷诱导RDX晶体起爆初步实验验证

5.7 本章小结

第六章 RDX炸药晶体微观结构高分辨TEM表征

6.1 引言

6.2 实验设备

6.3 RDX晶体电子辐照演化行为及辐照损伤阈值测算

6.4 Cs-Corr TEM下RDX晶体超精细结构表征

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果