摻雜納米鋁粒子硼硝酸鉀的激光點火性能探討

何小東，趙勝超，唐 舵

(中國工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

由于激光點火技術在電磁環境安全性方面的突出優勢[1-2]，歐美發達國家已經在各類導彈、航空發動機、槍械、衛星等領域實現了較大規模的應用，在國內也逐漸開始在各類航天裝備、武器系統中得到應用[3-5]。在激光點火技術中，常用的點火藥劑主要有硼硝酸鉀，其同時也是很多標準文件中唯一許可使用的點火藥劑，但是其可靠點火激光能量相對較高。當前，武器裝備小型化、輕量化要求也越來越高，有必要降低硼硝酸鉀的激光點火能量，以實現在較小能量下的可靠點火，進而利于降低點火用激光裝置的體積和質量。當前，采用納米活性金屬摻雜提高藥劑的激光點火/起爆感度的方法得到較多的研究且效果顯著。為此，本文采用納米Al摻雜的方法，調制硼硝酸鉀的激光點火性能，以期降低其激光點火能量。

1 條件與方法

本文中采用的硼硝酸鉀藥劑的B粒子直徑為亞微米量級，KNO3為塊狀物，其尺寸為十微米量級，采用直徑約為 100 nm 的納米鋁粒子。試驗采用超聲濕混法實現納米鋁粒子與硼硝酸鉀的均勻混合。其中，采用不溶解B、KNO3和Al的正己烷作為濕混介質，將B、KNO3和Al的懸混液在超聲設備中振動約 10 min，使得三者充分混合，混合后濾除正己烷并烘干即可得到摻雜納米鋁的硼硝酸鉀藥劑。試驗采用的激光點火管(見圖1所示)，主要由殼體、藥柱和封堵片組成。其中，殼體中封裝了直徑 200 μm 的光纖，藥柱尺寸為Φ5 mm×5 mm，藥量為(165±1)mg。采用額定輸出功率為 10 W，波長為 976 nm，脈寬為 20 ms 的半導體激光點火系統進行發火試驗。針對不同納米鋁含量的裝藥，采用D-U法測試了其激光點火閾值，采用光電法測試了作用時間(出光至輸出端輸出光信號的時間)。

圖1 激光點火管結構示意圖

2 結果與分析

含有五種不同納米鋁粉質量分數(0、1%、2%、3%、4%)藥劑的激光點火閾值(E0.99)如圖2所示。試驗表明，納米鋁粒子含量對激光點火閾值有顯著的影響，通過調整納米鋁粒子含量可實現點火能量的調制。據圖2可知，隨著納米鋁粒子含量增加，摻雜藥劑的激光點火發火閾值先降低再升高。當納米鋁粒子質量分數為1.0%時，其激光點火發火閾值達到最小值(0.25 W)，相對于初始狀態硼硝酸鉀的發火閾值降低 0.07 W，降低幅度達到約22%。隨著納米鋁含量進一步增加，發火閾值的則逐漸升高，當納米鋁質量分數為4.0%時，發火閾值增加到 0.42 W，該值相對于初始狀態硼硝酸鉀的發火閾值增幅達到約31%。試驗表明，適當質量分數(1%)的納米鋁粒子摻雜，可有效降低硼硝酸鉀的激光點火閾值，對于實現該藥劑在較低激光能量下可靠點火具有支撐作用。

圖2 納米鋁含量對激光點火閾值的影響

針對含有不同納米鋁粉質量分數硼硝酸鉀，在激光功率 4 W、脈寬 20 ms 的發火條件下進行了發火試驗，并采用光電法測試了相應激光點火管的作用時間。考慮到燃燒過程的不穩定性(硼硝酸鉀在點火激光作用下的反應為燃燒過程)，為了減少這種不穩定性對試驗數據準確性的影響，針對每一組樣品開展了10發次的平行試驗。基于作用時間的平均值得到了如圖3所示規律曲線。結果表明，納米鋁粒子含量對激光點火閾值有一定的的影響，其變化規律與閾值的變化規律相似：隨著納米鋁粒子含量增加，作用時間先降低，然后升高。初始狀態的硼硝酸鉀的激光點火作用時間為 15 ms，當納米Al質量分數達到1.0%時，作用時間降至 12 ms；當Al質量分數達到4%時，作用時間增加至 21 ms。

圖3 納米鋁含量對激光點火作用時間的影響

為了分析摻雜納米Al對硼硝酸鉀激光點火性能的影響規律，測試了不同混合藥劑的光吸收率和熱導率的影響。納米鋁粒子含量對藥劑光吸收特性的影響如圖4所示。結果表明，納米鋁粒子對藥劑的光吸收率影響較小，在發火激光波段(976 nm)的吸收效率則基本相同。相關研究表明，RDX、PETN等藥劑摻雜納米金屬粒子的發火能量降低的重要機理之一是光吸收性能的提升。本文表明，納米鋁摻雜對硼硝酸鉀藥劑的發火閾值和作用時間的影響機理與RDX、PETN等藥劑摻雜光敏機制不同，納米鋁摻雜造成的硼硝酸鉀激光點火性能提升不是源自于其光吸收性能提升。

圖4 納米鋁對藥劑光吸收效率的影響

通過激光熱導儀獲得了不同納米鋁粒子含量藥劑的熱導率，如圖5所示。由圖5可知，當納米鋁粒子質量分數為0時，其熱導率為 0.271 W/(m·K)；當鋁質量分數為1.0%、2.0%和4.0%時，熱導率分別為0.289、0.309、0.0.373 W/(m·K)。因此，隨著納米鋁含量的增加，藥劑的熱導率呈近似線性增加。分析認為，這主要是由于鋁的熱導率[200 W/(m·K)]遠高于硼[約為 0.3 W/(m·K)]，因此鋁含量越高，藥劑的熱導率也越高。

圖5 納米鋁含量對藥劑熱導率的影響

根據以上實驗可知，納米鋁粒子對藥劑的發火激光吸收效率(發火波段 976 nm)無顯著影響，不會因此造成發火性能改變。納米鋁粒子對藥劑的熱導率的影響，可能是造成發火性能發生變化的重要原因。一方面，當納米含量較低時，熱導率略有提升，使得藥劑在受到激光熱能量作用后，便于熱量通過Al粒子介質傳遞至激光光斑作用周邊區域的藥劑，有利于初始熱點發展成為自持燃燒反應，且由于納米Al是一種活性粒子，其燃燒性能優異，可促進燃燒反應，進而使得發火閾值和作用時間降低；另一方面，當鋁質量分數超過一定值(1%)時，熱導率相對于原始狀態進一步增高，使得更多地激光能量和初始點火能量傳導至非點火區域，造成能量浪費，不利于熱點的成長為穩定自持的燃燒反應，進而導致發火閾值較高且作用時間增長。

3 結論

本文基于降低激光點火能量的潛在需求，采用納米鋁摻雜的方法進行了硼硝酸鉀激光點火性能的調制。研究表明，納米鋁粒子摻雜對硼硝酸鉀的光吸收特性無明顯影響，硼硝酸鉀熱導率隨著納米鋁粒子含量增多而呈近線性增加。隨著納米鋁粒子含量增加，發火閾值明顯降低，當納米鋁粒子質量分數為1.0%時，其發火閾值和作用時間達到最小值(0.25 W、12 ms)。在該納米鋁含量下，藥劑在受到激光熱能量作用后，初始點火熱量可通過Al粒子介質傳遞至激光光斑作用周邊區域的藥劑，且由于納米Al是一種燃燒性能優異的活性粒子，可促進燃燒反應，進而提升激光點火性能。隨著納米鋁含量進一步增加，發火閾值和作用時間的逐漸升高，當納米鋁質量分數為4.0%時，發火閾值增加到 0.45 W，作用時間增加到 21 ms。