北理工團隊在含能材料性能及感度快速檢測技術(shù)方面取得重要突破
發(fā)布日期：2022-06-30 供稿：物理學院 攝影：物理學院
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近期,，北京理工大學物理學院姚裕貴教授課題組劉瑞斌教授,、郭偉研究員,，聯(lián)合材料學院束慶海教授、夏敏教授,、王俊峰副教授,、機電學院張同來教授、張建國教授,、郭學永副教授,、計算機學院付瑩教授等，在“微小藥量含能材料爆炸性能及感度快速檢測技術(shù)”方面取得重要突破,。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的Journal of Materials Chemistry A（IF 14.511）,、 Optics Express、Journal of Analytical Atomic Spectrometry（光譜學一區(qū)）等期刊上,。北京理工大學物理學院2019級博士研究生王憲雙為論文的第一作者,，劉瑞斌教授和姚裕貴教授作為通訊作者，北京理工大學物理學院為第一通訊單位,。
含能材料是國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全的重要支撐材料,，爆炸性能和安全性能的準確測量是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，并對含能材料的合理應(yīng)用,、配方設(shè)計,、儲存、運輸?shù)染哂蟹浅Ｖ匾饬x,。傳統(tǒng)的含能材料性能測試依托國軍標方法,，需要消耗百克到千克級的含能材料開展宏觀實爆測量，危險性高,、破壞性大,，受到裝藥質(zhì)量、測試條件等影響,，診斷精度低、重復難,，且一些新型含能材料受限于產(chǎn)量無法完成測試,。基于微小藥量快速高精度檢測技術(shù)一直是該領(lǐng)域憧憬的重要技術(shù),。因此,，為含能材料的爆轟性能診斷、安全性能評估,、爆轟反應(yīng)過程研究,，提供一種安全性高、樣品消耗量小,、操作簡單,、成本低,、可靠性高的快速分析原理和方法是含能材料及毀傷領(lǐng)域重大需求。
物理學院精密光譜與光電技術(shù)課題組針對上述技術(shù)需求,，基于在激光物質(zhì)鑒定及定量分析方向10余年的研究經(jīng)驗,，并于2017年開始，借助于全鏈條項目的支持,，率先提出“以脈沖激光作用于微克含能材料的等離子體微爆過程來模擬宏觀爆轟的新物理思路”和“微爆模擬器”的新概念,。課題組在挖掘激光與含能材料相互作用物理理論的基礎(chǔ)上，開創(chuàng)了基于激光微爆技術(shù)和物理參數(shù)修正的統(tǒng)計光譜學模型的含能材料關(guān)鍵性能參數(shù)和感度參數(shù)預測新原理和新方法,。包括以下四個方面：
測試系統(tǒng)構(gòu)建：自主搭建了小藥量含能材料性能測試物理系統(tǒng),，集成了微區(qū)超快時間分辨光譜和高速動態(tài)流場顯微成像系統(tǒng)。開展了覆蓋納秒到毫秒超快時間尺度,，微米到厘米的激光誘導反應(yīng)區(qū)微介觀尺度的激光誘導跨尺度微爆過程全面探測,，有效獲得微區(qū)爆轟后時間分辨特征原子、分子,、離子光譜,、激光加載動態(tài)圖像、微爆燃過程等多維度光學信息,。
物理機制探索：弄清了激光與含能材料相互作用的微觀物理機制,，及超快等離子體過程和微爆動態(tài)物理化學過程相關(guān)演化機理，證明了激光微爆過程與宏觀爆轟存在的強關(guān)聯(lián)物理特性,，并提出了微爆動力學物理模型,，如圖1所示。因此,，可以通過對微爆過程的精密物理測量和分析,，完成對含能材料爆速、爆壓,、生成焓等參數(shù)的定量分析以及爆溫的預測,。該成果發(fā)表在光學頂級期刊Optics Express上（Opt. Express, 2022, 30(4): 4718-4736.)
圖1 微爆動力學過程示意圖
五爆參數(shù)快速檢測：課題組在微爆高速流場演化過程的研究中發(fā)現(xiàn)，不同種類的含能材料微區(qū)燃爆羽流動力學演化形態(tài),、輻射粒子的時空分布存在很大差異,，如圖2所示。高能含能材料的等離子體壽命較短,，沖擊波速度較快,，而低能含能材料等離子體壽命較長，沖擊波速度較慢,。通過對時間分辨光譜的觀測發(fā)現(xiàn)高能,、低能含能材料的羽流輻射差異主要來自于C2分子碎片。
同時研究中發(fā)現(xiàn)在羽流膨脹和等離子體冷卻過程中,，振動態(tài)玻爾茲曼分布對應(yīng)溫度并非一直降低,，而是在特定時間延遲下短暫恒定,，如圖3所示。這是由于含能材料放熱物理化學反應(yīng)放出的額外熱量補償了等離子體溫度的持續(xù)衰變,。因此,，以特定延時下采集的高速動態(tài)圖像作為輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合特征提取和線性SVR算法,，建立了基于時間分辨圖像及光譜的含能材料五爆參數(shù)（爆速,、爆熱、爆容,、爆壓,、爆溫）定量分析的機器學習模型，進而完成了27種含能材料的爆轟性能高精度預測,，預測模型的平均預測誤差均小于5%,，如圖4所示。該工作為含能材料爆轟性能的快速測試提供了一種低成本,、高精度,、高安全性、高通量的新原理,、新方法,、新思路，相比于高成本,、高風險,、低重復精度的傳統(tǒng)宏觀測試方法，優(yōu)勢顯著,。該成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊J Materials Chemistry A（ 2022,，10，13114-13123）上,。
圖2 高速流場演化圖像：(b)激光誘導沖擊波演化圖像,；(c)激光誘導等離子體演化圖像
圖3 時間分辨光譜結(jié)果：（a）傳統(tǒng)高能含能材料光譜強度隨時間演化；（b）唑類含能材料光譜強度隨時間演化,；（c）分子峰實驗測試與模擬圖對比,；（d）玻爾茲曼平面圖；（e）傳統(tǒng)高能含能材料振動溫度隨時間演化,；（f）唑類含能材料振動溫度隨時間演化
圖4 （左）模型預測圖：（a）爆速；（b）爆熱,；（c）爆容,；（d）爆壓；（e）爆溫,；（右）隨機盲測結(jié)果
四大感度測試：含能材料的感度由其分子和晶體的固有特性決定,，例如分子的幾何結(jié)構(gòu),、電子結(jié)構(gòu)、元素組成,、反應(yīng)活性(反應(yīng)活化能,、分子分解速率常數(shù)、反應(yīng)可逆性),、分子堆積模式,、能帶結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu),、晶格尺寸和缺陷,、晶相等。在微介觀尺度上研究和建立感度與上述參數(shù)的定量關(guān)系至關(guān)重要,。然而,，到目前為止，感度與分子和晶體結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系尚不明確,。而上述提及的分子和晶體性質(zhì)的所有關(guān)鍵信息都可以很好地反映在時間分辨激光加載等離子體光譜中,。
將脈沖激光聚焦到樣品表面微米級范圍內(nèi)，焦點處產(chǎn)生激光等離子體,，為含能材料的分解提供了一個局部高溫高壓環(huán)境,。在高溫等離子體火花中，伴隨著強烈的放熱化學反應(yīng),，原子,、離子、電子,、分子碎片和一些自由基等相互碰撞,，如圖2（a）所示?；瘜W反應(yīng)釋放能量需要電子參與,，從而極大的影響了電子的冷卻和復合過程。不同分子和晶體類型的含能材料的解離程度和解離速率都與感度有關(guān),，等離子體溫度和電子密度都可以由譜線強度給出,。研究表明，電子密度和撞擊感度,、等離子體溫度和摩擦感度具有一定的關(guān)聯(lián)性（如圖5（b-c））,。因此可以通過激光誘導等離子體的有效總輻射譜來評價含能材料的感度，結(jié)合等離子體特征光譜和統(tǒng)計學算法,，可以很好地建立撞擊,、摩擦、靜電和激光等感度預測模型，預測模型平均相對誤差低于10%,。該成果作為封底文章發(fā)表在原子光譜分析領(lǐng)域最高水平的學術(shù)期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry（2021, 36, 2603）上,。
圖5 激光等離子體與感度關(guān)聯(lián)性分析圖：（a）基于激光等離子體光譜的感度預測機理；（b）電子密度和撞擊感度關(guān)聯(lián)圖,；（c）等離子體溫度和摩擦感度關(guān)聯(lián)圖,；
圖6 基于PCA-PLS的預測模型：（a）沖擊感度、（b）摩擦感度,、（c）靜電感度和（d）激光感度
總之,，微小藥量含能材料性能快速檢測技術(shù)的突破，實現(xiàn)了快速痕量安全成本低的快速檢測方式,，把含能材料的性能評估由傳統(tǒng)的宏觀范疇拓展到了微觀范疇,，為含能材料研發(fā)、品控和工藝安全提供關(guān)鍵技術(shù),，該方法也將可應(yīng)用煤炭,、冶金、電力等民用領(lǐng)域,。
（1）Journal of Materials Chemistry A
論文鏈接https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TA/D2TA02626K
（2）Optics Express
論文鏈接https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri="oe-30-4-4718&id=468890
（3）Journal of Analytical Atomic Spectrometry,。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/JA/D1JA00325A
本技術(shù)研究過程中感謝爆炸科學與技術(shù)重點實驗室的大力支持。研究工作得到了國家科技部重點研發(fā)計劃等項目的資助,。
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