掺杂纳米铝粒子硼硝酸钾的激光点火性能探讨

何小东，赵胜超，唐 舵

(中国工程物理研究院 化工材料研究所，四川 绵阳 621900)

由于激光点火技术在电磁环境安全性方面的突出优势[1-2]，欧美发达国家已经在各类导弹、航空发动机、枪械、卫星等领域实现了较大规模的应用，在国内也逐渐开始在各类航天装备、武器系统中得到应用[3-5]。在激光点火技术中，常用的点火药剂主要有硼硝酸钾，其同时也是很多标准文件中唯一许可使用的点火药剂，但是其可靠点火激光能量相对较高。当前，武器装备小型化、轻量化要求也越来越高，有必要降低硼硝酸钾的激光点火能量，以实现在较小能量下的可靠点火，进而利于降低点火用激光装置的体积和质量。当前，采用纳米活性金属掺杂提高药剂的激光点火/起爆感度的方法得到较多的研究且效果显著。为此，本文采用纳米Al掺杂的方法，调制硼硝酸钾的激光点火性能，以期降低其激光点火能量。

1 条件与方法

本文中采用的硼硝酸钾药剂的B粒子直径为亚微米量级，KNO3为块状物，其尺寸为十微米量级，采用直径约为 100 nm 的纳米铝粒子。试验采用超声湿混法实现纳米铝粒子与硼硝酸钾的均匀混合。其中，采用不溶解B、KNO3和Al的正己烷作为湿混介质，将B、KNO3和Al的悬混液在超声设备中振动约 10 min，使得三者充分混合，混合后滤除正己烷并烘干即可得到掺杂纳米铝的硼硝酸钾药剂。试验采用的激光点火管(见图1所示)，主要由壳体、药柱和封堵片组成。其中，壳体中封装了直径 200 μm 的光纤，药柱尺寸为Φ5 mm×5 mm，药量为(165±1)mg。采用额定输出功率为 10 W，波长为 976 nm，脉宽为 20 ms 的半导体激光点火系统进行发火试验。针对不同纳米铝含量的装药，采用D-U法测试了其激光点火阈值，采用光电法测试了作用时间(出光至输出端输出光信号的时间)。

图1 激光点火管结构示意图

2 结果与分析

含有五种不同纳米铝粉质量分数(0、1%、2%、3%、4%)药剂的激光点火阈值(E0.99)如图2所示。试验表明，纳米铝粒子含量对激光点火阈值有显著的影响，通过调整纳米铝粒子含量可实现点火能量的调制。据图2可知，随着纳米铝粒子含量增加，掺杂药剂的激光点火发火阈值先降低再升高。当纳米铝粒子质量分数为1.0%时，其激光点火发火阈值达到最小值(0.25 W)，相对于初始状态硼硝酸钾的发火阈值降低 0.07 W，降低幅度达到约22%。随着纳米铝含量进一步增加，发火阈值的则逐渐升高，当纳米铝质量分数为4.0%时，发火阈值增加到 0.42 W，该值相对于初始状态硼硝酸钾的发火阈值增幅达到约31%。试验表明，适当质量分数(1%)的纳米铝粒子掺杂，可有效降低硼硝酸钾的激光点火阈值，对于实现该药剂在较低激光能量下可靠点火具有支撑作用。

图2 纳米铝含量对激光点火阈值的影响

针对含有不同纳米铝粉质量分数硼硝酸钾，在激光功率 4 W、脉宽 20 ms 的发火条件下进行了发火试验，并采用光电法测试了相应激光点火管的作用时间。考虑到燃烧过程的不稳定性(硼硝酸钾在点火激光作用下的反应为燃烧过程)，为了减少这种不稳定性对试验数据准确性的影响，针对每一组样品开展了10发次的平行试验。基于作用时间的平均值得到了如图3所示规律曲线。结果表明，纳米铝粒子含量对激光点火阈值有一定的的影响，其变化规律与阈值的变化规律相似：随着纳米铝粒子含量增加，作用时间先降低，然后升高。初始状态的硼硝酸钾的激光点火作用时间为 15 ms，当纳米Al质量分数达到1.0%时，作用时间降至 12 ms；当Al质量分数达到4%时，作用时间增加至 21 ms。

图3 纳米铝含量对激光点火作用时间的影响

为了分析掺杂纳米Al对硼硝酸钾激光点火性能的影响规律，测试了不同混合药剂的光吸收率和热导率的影响。纳米铝粒子含量对药剂光吸收特性的影响如图4所示。结果表明，纳米铝粒子对药剂的光吸收率影响较小，在发火激光波段(976 nm)的吸收效率则基本相同。相关研究表明，RDX、PETN等药剂掺杂纳米金属粒子的发火能量降低的重要机理之一是光吸收性能的提升。本文表明，纳米铝掺杂对硼硝酸钾药剂的发火阈值和作用时间的影响机理与RDX、PETN等药剂掺杂光敏机制不同，纳米铝掺杂造成的硼硝酸钾激光点火性能提升不是源自于其光吸收性能提升。

图4 纳米铝对药剂光吸收效率的影响

通过激光热导仪获得了不同纳米铝粒子含量药剂的热导率，如图5所示。由图5可知，当纳米铝粒子质量分数为0时，其热导率为 0.271 W/(m·K)；当铝质量分数为1.0%、2.0%和4.0%时，热导率分别为0.289、0.309、0.0.373 W/(m·K)。因此，随着纳米铝含量的增加，药剂的热导率呈近似线性增加。分析认为，这主要是由于铝的热导率[200 W/(m·K)]远高于硼[约为 0.3 W/(m·K)]，因此铝含量越高，药剂的热导率也越高。

图5 纳米铝含量对药剂热导率的影响

根据以上实验可知，纳米铝粒子对药剂的发火激光吸收效率(发火波段 976 nm)无显著影响，不会因此造成发火性能改变。纳米铝粒子对药剂的热导率的影响，可能是造成发火性能发生变化的重要原因。一方面，当纳米含量较低时，热导率略有提升，使得药剂在受到激光热能量作用后，便于热量通过Al粒子介质传递至激光光斑作用周边区域的药剂，有利于初始热点发展成为自持燃烧反应，且由于纳米Al是一种活性粒子，其燃烧性能优异，可促进燃烧反应，进而使得发火阈值和作用时间降低；另一方面，当铝质量分数超过一定值(1%)时，热导率相对于原始状态进一步增高，使得更多地激光能量和初始点火能量传导至非点火区域，造成能量浪费，不利于热点的成长为稳定自持的燃烧反应，进而导致发火阈值较高且作用时间增长。

3 结论

本文基于降低激光点火能量的潜在需求，采用纳米铝掺杂的方法进行了硼硝酸钾激光点火性能的调制。研究表明，纳米铝粒子掺杂对硼硝酸钾的光吸收特性无明显影响，硼硝酸钾热导率随着纳米铝粒子含量增多而呈近线性增加。随着纳米铝粒子含量增加，发火阈值明显降低，当纳米铝粒子质量分数为1.0%时，其发火阈值和作用时间达到最小值(0.25 W、12 ms)。在该纳米铝含量下，药剂在受到激光热能量作用后，初始点火热量可通过Al粒子介质传递至激光光斑作用周边区域的药剂，且由于纳米Al是一种燃烧性能优异的活性粒子，可促进燃烧反应，进而提升激光点火性能。随着纳米铝含量进一步增加，发火阈值和作用时间的逐渐升高，当纳米铝质量分数为4.0%时，发火阈值增加到 0.45 W，作用时间增加到 21 ms。