【摘 要】
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激光点火技术具有抗强电磁干扰能力、易于多路点火、系统可无损自检、装药与电源隔离等优势,是目前火工技术的主要发展方向之一。激光火工品要求所使用的药剂具备激光感度高、对其他能量刺激钝感、延迟时间短等特点。但是目前的激光火工药剂存在激光感度较高的同时其热感度也较高的问题,这在一定程度上会影响激光火工品的安全性。因此研究对激光敏感、热钝感的含能材料及其反应机理极为重要。针对该问题本文提出了光热差异化反应设
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激光点火技术具有抗强电磁干扰能力、易于多路点火、系统可无损自检、装药与电源隔离等优势,是目前火工技术的主要发展方向之一。激光火工品要求所使用的药剂具备激光感度高、对其他能量刺激钝感、延迟时间短等特点。但是目前的激光火工药剂存在激光感度较高的同时其热感度也较高的问题,这在一定程度上会影响激光火工品的安全性。因此研究对激光敏感、热钝感的含能材料及其反应机理极为重要。针对该问题本文提出了光热差异化反应设计思想,构建了以纳米铝热剂和HMX为基的激光特征感度复合含能体系。研究了该复合体系的激光和热丝点火特性和反应过程,揭示了其光热差异化反应机理。探究了光热差异化性能调控方法和复合体系作用特性。主要内容和结论如下:(1)提出了光热差异化反应设计思想:基于不同吸光性能的组分A和B组成的复合体系在光、热作用时的升温过程会存在差别,进而可控制其反应过程。以激光特征感度为目标的复合含能材料的组分需要满足吸光性能(A强,B弱)、反应温度(A高,B低)和反应形式(一定能量下A为燃烧或爆轰,B为热分解)等三个条件。(2)实验选取的组分A为纳米铝热剂Al/Cu O/NC(25:75:3),其反应温度为526℃,激光吸收率约86%;组分B为HMX晶体,其热分解温度为241℃,激光吸收率约22%,两种组分的物理化学性质满足光热差异化反应的条件。构建并制备了基于铝热剂和HMX的复合含能体系。(3)分别研究了纳米铝热剂、HMX、复合体系、B/KNO3、HMX/CB五种样品的激光和热丝点火性能。结果表明:复合体系、纳米铝热剂和B/KNO3的激光点火阈值均为17W,对应的点火延迟时间分别为5.6ms、7.5ms、9.4ms,HMX/CB以及HMX无法被激光(75W)点燃;纳米铝热剂和B/KNO3热丝点火阈值均为4.5A,对应的点火延迟时间分别为7.8ms、8.4ms,而复合体系、HMX/CB以及HMX无法被热丝(6A)点燃。纳米铝热剂质量占比为15%-50%的复合体系的激光感度与纳米铝热剂、B/KNO3等点火药相似,但热感度远低于纳米铝热剂、B/KNO3等点火药,验证了其具有对激光敏感、热钝感的特性。(4)研究了复合体系在激光和热作用下的反应过程。实验结果表明复合体系的激光点火过程为:纳米铝热剂组分在激光作用下吸收大部分能量先达到点火温度,并发生点火进一步点燃HMX晶体。热分析实验显示复合体系在纳米铝热剂质量占比低于60%时无法观测到铝热反应放热峰;产物分析显示复合体系在加热至300℃时HMX完全分解而Cu O含量显著降低。复合体系的热作用反应机理为:HMX晶体首先发生热分解,其分解产物CO和Cu O发生还原反应使纳米铝热剂失效,导致体系无法被点火。结合光、热点火试验和理论分析揭示了复合体系的光热差异化反应机理。(5)复合材料在激光作用下组分之间的温差越大则光热差异化性能越强。利用COMSOL研究了组分热力学参数、传热介质、尺度及微观结构等参数对于复合材料光热差异化性能的影响规律:相对于膜结构,球形混合结构的复合材料的光热差异性能较好;组分A和组分B间的激光吸收率差异、传热介质的热阻和粒度/膜厚越大,则复合材料的光热差异化性能越强;增大组分A的总热容量会导致光热差异化性能的减弱;但是增大组分B的总热容量会导致光热差异化性能的增强。为了验证粒度因素对光热差异化性能的调控作用,研究了不同粒度HMX晶体对应的复合体系的激光点火阈值。结果表明:粒度为300μm、200μm和100μm的HMX晶体对应的复合体系的阈值功率分别为17W、43W和59W。(6)为了验证复合体系的激光点火优越性,设计了激光点火飞片起爆器,采用复合体系、纳米铝热剂和B/KNO3作为起爆器的一级装药对比作用特性。结果显示:复合体系和纳米铝热剂的作用时间分别为0.17ms和0.45ms,远低于B/KNO3的作用时间22ms。复合体系驱动飞片的平均撞击速度为1100m·s-1,高于B/KNO3的337m·s-1,纳米铝热剂无法有效驱动飞片。
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