CN112299936B - 用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法及应用，包括：在搅拌去离子水的同时，依次加入柠檬酸三钠溶液、聚乙烯吡咯烷酮溶液、过氧化氢溶液、AgNO3溶液和NaBH4溶液，搅拌，得到种子液；取种子液离心浓缩，然后加入去离子水，超声，在搅拌的同时，依次加入柠檬酸三钠溶液和L‑抗坏血酸溶液，然后滴加AgNO3溶液，上述过程重复6次，得到银纳米片溶液，即用于炸药激光引爆的光热材料。本发明制备的光热材料可以实现对激光808nm的最大吸收，应用到黑索今来验证起爆阈值，应用到硼硝酸钾来验证延迟时间，实验结果显示黑索金起爆阈值降低了58.33％，硼硝酸钾延迟时间降低了51％。为今后设计新型等离激元共振材料用于激光引爆提供了一定的参考价值。

Description

用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及光热材料制备技术领域，具体涉及一种用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法及应用。
背景技术
归因于电子技术的迅猛发展，各种先进的电子装备在战场的运用，使得未来战争将会是在各种复杂多变的电磁环境交织下进行的信息化战争。战场的电磁效应直接影响着武器装备战斗效能的发挥。复杂电磁环境要求武器系统需要具备更高的安全性和可靠性，而激光起爆技术由于采用光纤传输能量，具备很高的抗电磁干扰能力和起爆可靠性，是未来点火和起爆技术的重点发展方向。所以，武器装备的抗电磁能力强弱，决定了战场的生存能力。目前，我国武器系统大量使用的传统火工品抗强电磁干扰能力较差，因而不能保证火工品的高安全性。为了提高火工品的安全性，发展出了各种新型的点火与起爆装置，其中最具代表性的就是半导体桥(SCB)火工品和爆炸箱冲击片(EFI)火工品，以及最新的结合两种起爆技术优点的半导体桥冲击片火工品。尽管SCB和EFI安全性比传统火工品有所提高，起爆电压也越来越低，但从本质来讲，它们的起爆方式还是电起爆，因此仍然存在安全问题。
激光点火技术可以从根本上彻底解决传统火工品存在的安全问题，其主要优势在于：
(1)激光点火技术采用光纤进行激光能量的传输，替代传统火品中引线和桥丝，使得静电放电、高功率电磁脉冲、杂散电流和强射频等干扰产生的安全隐患将不复存在，同时也避免了电火工品中桥丝与药剂直接接触导致桥丝腐烛等问题；
(2)激光点火起爆系统一般采用钝感的猛炸药作为初级装药，安全性和起爆能力同时得到提高；
(3)容易实现多点同步起爆，通过检测系统能够大大提高其可靠性。
应用激光来辐照炸药装置，能使固体炸药发生化学反应，并在密闭空间内部形成热点，发生点火和爆炸行为。激光引爆炸药装置的这种方法，可用于远距离、非接触式的排除地雷或者未爆弹药，降低人工排雷的危险性，具有重要的工程应用前景。同时，激光辐照提供了精确可测的辐射外热流，能使炸药装置在秒级时间内发生爆炸，为快加热条件下约束炸药的点火和爆炸机理研究提供了新型试验手段。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按体积份，在搅拌40～60份去离子水的同时，依次加入2～4份25～35mmol/L的柠檬酸三钠溶液、2～5份15～25mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮溶液、0.1～0.15份35wt％的过氧化氢溶液、1.5～2份80～120mmol/L的AgNO3溶液和1～1.5份80～120mmol/L的NaBH4溶液，在25℃下，搅拌2～3小时，得到种子液；
步骤二、按体积份，取15～25份种子液离心浓缩至1～3份，然后加入15～20份去离子水，超声10～20min，然后在搅拌的同时，依次加入0.4～0.6份35～45mmol/L的柠檬酸三钠溶液和0.4～0.6份35～45mmol/L的L-抗坏血酸溶液，然后滴加8～12份0.5mmol/L的AgNO3溶液，将加入0.4～0.6份35～45mmol/L的柠檬酸三钠溶液和0.4～0.6份35～45mmol/L的L-抗坏血酸溶液、以及滴加8～12份0.5mmol/L的AgNO3溶液的过程重复6次，得到银纳米片溶液，即用于炸药激光引爆的光热材料。
优选的是，所述步骤二中，超声的功率为200～300W，超声的频率为50～60KHz。
优选的是，所述步骤一中，搅拌的速度为1400～1600r/min；所述步骤二中，离心浓缩的转速为1000～1200r/min，搅拌的速度为140～160r/min；滴加8～12份0.5mmol/L的AgNO3溶液的速度为每半小时滴加8～12份。
优选的是，所述步骤二中，超声采用密封加压超声，其工艺参数为：每超声反应2～3min后间隔停止超声1min，压力0.5～1.5MPa，频率50～60KHz。
本发明还提供一种如上述的制备方法制备的光热材料在炸药激光引爆的的应用，在激光引发室中压制RDX或B/KNO3炸药药柱，然后将5uL银纳米片溶液滴在药柱的表面上并真空干燥12小时；将压制的炸药药柱插入Ф4mm×3mm的引发室中，然后用厚度为1mm K9玻璃密封，炸药和K9玻璃通过带螺纹的铝盖压紧接触；激光引发通过使用波长为808nm的脉冲激光进行，直径为0.2毫米的激光束穿过K9玻璃射到药柱的表面，实现激光引爆。
本发明至少包括以下有益效果：本发明通过制备纳米种子液，然后通过超声调控，并且纳米晶种经过多轮生长，把紫外可见吸收峰由之前的640nm红移到808nm，实现对激光808nm的最大吸收，然后经过离心、洗涤、浓缩，用红外摄像机测试样品升温影像，应用到黑索今来验证起爆阈值，应用到硼硝酸钾来验证延迟时间，实验结果显示掺杂等离激元共振材料的黑索金起爆阈值降低了58.33％，硼硝酸钾延迟时间降低了51％。为今后设计新型等离激元共振材料用于激光引爆提供了一定的参考价值。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明实施例1～3中步骤一制备的种子液的TEM图；
图2为本发明实施例1(a，d)、实施例2(c，f)和实施例3(b，e)制备的光热材料的TEM和HRTEM图像；
图3为实施例1中在不同超声时间下制备的光热材料的SEM图；
图4为本发明实施例1、实施例2和实施例3制备的光热材料的XRD图像；
图5为本发明实施例1、实施例2和实施例3制备的光热材料的紫外光谱图；
图6为本发明实施例1～3中步骤一制备的种子液的紫外光谱图；
图7为本发明实施例1、实施例2和实施例3制备的光热材料的光热性能测试图；
图8为本发明实施例1、实施例2和实施例3制备的光热材料的光热性能测试的时间温度曲线；
图9为本发明实施例1、实施例2和实施例3制备的光热材料的温度厚度曲线；
图10为本发明的将光热材料用于炸药激光引爆的装置图；
图11为本发明的将光热材料用于炸药激光引爆的药柱的结构示意图；
图12为本发明实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制备的光热材料以及RDX在激光引爆中的起始阈值；
图13为本发明实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制备的光热材料以及B/KNO3在激光引爆中延迟时间；
图14为本发明实施例1制备的光热材料的铅板损伤实验后的铅板照片；
图15为本发明实施例3制备的光热材料的铅板损伤实验后的铅板照片；
图16为本发明实施例2制备的光热材料的铅板损伤实验后的铅板照片。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1：
一种用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在搅拌49mL去离子水的同时，依次加入3mL 30mmol/L的柠檬酸三钠溶液、3mL 20mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮溶液、120uL 35wt％的过氧化氢溶液、1mL 100mmol/L的AgNO3溶液和1.2mL 100mmol/L的NaBH4溶液，此时溶液呈黄色，温度控制在25℃，搅拌40min，溶液颜色变为蓝色，继续搅拌2h，使纳米片得到充分生长，得到种子液；搅拌的速度为1500r/min；
步骤二、取20mL种子液离心浓缩至2mL，然后加入18mL去离子水，超声15min，超声的功率为250W，超声的频率为53KHz；在150r/min的搅拌下，依次加入500uL 40mmol/L的柠檬酸三钠溶液和500uL 40mmol/L的L-抗坏血酸溶液，然后滴加10mL 0.5mmol/L的AgNO3溶液，半小时递交完成，将加入500uL 40mmol/L的柠檬酸三钠溶液和500uL 40mmol/L的L-抗坏血酸溶液、以及滴加10mL 0.5mmol/L的AgNO3溶液的过程重复6次，得到银纳米片溶液，即用于炸药激光引爆的光热材料；离心浓缩的转速为1000r/min，搅拌的速度为150r/min。
实施例2：
一种用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在搅拌49mL去离子水的同时，依次加入3mL 30mmol/L的柠檬酸三钠溶液、3mL 20mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮溶液、120uL 35wt％的过氧化氢溶液、1mL 100mmol/L的AgNO3溶液和1.2mL 100mmol/L的NaBH4溶液，此时溶液呈黄色，温度控制在25℃，搅拌40min，溶液颜色变为蓝色，继续搅拌2h，使纳米片得到充分生长，得到种子液；搅拌的速度为1500r/min；
步骤二、取20mL种子液离心浓缩至2mL，然后加入18mL去离子水，水浴60℃加热1小时，在150r/min的搅拌下，依次加入500uL 40mmol/L的柠檬酸三钠溶液和500uL 40mmol/L的L-抗坏血酸溶液，然后滴加10mL0.5mmol/L的AgNO3溶液，半小时递交完成，将加入500uL40mmol/L的柠檬酸三钠溶液和500uL 40mmol/L的L-抗坏血酸溶液、以及滴加10mL0.5mmol/L的AgNO3溶液的过程重复6次，得到银纳米片溶液，即用于炸药激光引爆的光热材料；离心浓缩的转速为1000r/min，搅拌的速度为150r/min。
实施例3：
一种用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在搅拌49mL去离子水的同时，依次加入3mL 30mmol/L的柠檬酸三钠溶液、3mL 20mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮溶液、120uL 35wt％的过氧化氢溶液、1mL 100mmol/L的AgNO3溶液和1.2mL 100mmol/L的NaBH4溶液，此时溶液呈黄色，温度控制在25℃，搅拌40min，溶液颜色变为蓝色，继续搅拌2h，使纳米片得到充分生长，得到种子液；搅拌的速度为1500r/min；
步骤二、取20mL种子液离心浓缩至2mL，然后加入18mL去离子水，在150r/min的搅拌下，依次加入500uL 40mmol/L的柠檬酸三钠溶液和500uL40mmol/L的L-抗坏血酸溶液，然后滴加10mL 0.5mmol/L的AgNO3溶液，半小时递交完成，将加入500uL 40mmol/L的柠檬酸三钠溶液和500uL 40mmol/L的L-抗坏血酸溶液、以及滴加10mL 0.5mmol/L的AgNO3溶液的过程重复6次，得到银纳米片溶液，即用于炸药激光引爆的光热材料；离心浓缩的转速为1000r/min，搅拌的速度为150r/min。
实施例4：
一种用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在搅拌49mL去离子水的同时，依次加入3mL 30mmol/L的柠檬酸三钠溶液、3mL 20mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮溶液、120uL 35wt％的过氧化氢溶液、1mL 100mmol/L的AgNO3溶液和1.2mL 100mmol/L的NaBH4溶液，此时溶液呈黄色，温度控制在25℃，搅拌40min，溶液颜色变为蓝色，继续搅拌2h，使纳米片得到充分生长，得到种子液；搅拌的速度为150r/min；
步骤二、取20mL种子液离心浓缩至2mL，然后加入18mL去离子水，超声15min，超声采用密封加压超声，其工艺参数为：每超声反应3min后间隔停止超声1min，压力1MPa，频率53KHz；在150r/min的搅拌下，依次加入500uL 40mmol/L的柠檬酸三钠溶液和500uL40mmol/L的L-抗坏血酸溶液，然后滴加10mL 0.5mmol/L的AgNO3溶液，半小时递交完成，将加入500uL40mmol/L的柠檬酸三钠溶液和500uL 40mmol/L的L-抗坏血酸溶液、以及滴加10mL 0.5mmol/L的AgNO3溶液的过程重复6次，得到银纳米片溶液，即用于炸药激光引爆的光热材料；离心浓缩的转速为1000r/min，搅拌的速度为150r/min。
图1示出了实施例1～3中步骤一制备的种子液的TEM图，从图中可以看出制备了三角形银纳米片的结构，且产率较高；图2示出了实施例1(a，d)、实施例2(c，f)和实施例3(b，e)制备的光热材料的TEM和HRTEM图像，经过六轮生长后，采用超声处理的实施例1制备的三角形银纳米片出现了很多细小裂缝(图2a，d)；图2b，e显示了实施例3制备的三角形银纳米片的TEM和HRTEM图像，表明在银纳米片上没有裂纹形成，另外，图2c，f显示，采用热处理的实施例2的三角形银纳米片的边缘在加热后变得不再尖锐。总之，超声确实在银纳米片上产生了微小的裂纹。
图3示出了实施例1中在不同超声时间下制备的光热材料的SEM图；从图中可以看出，随着超声时间从0分钟到25分钟(a:0min、b:5min、c:10min、d:15min、e:20min、f:25min)，银纳米片上的裂纹明显增长，如图3a所示，银纳米片上具有规则的三角形形状，在超声之前没有裂纹，随着超声时间的增加，银纳米片中的裂纹不断增长并变得尖锐(图3b，c，d)。在超声时间过长的情况下，银纳米片中的裂纹变大而尖锐(图3e，f)。研究表明，光热部位出现在尖锐的位置，但是过大的裂缝导致光热部位的减少，从而削弱了银纳米片的光热效应。如图3d所示，超声15分钟的纳米板显示出大量且尖锐的裂纹，这有利于光热效应的改善。因此，采用15分钟的超声处理来制备开裂的三角形纳米板。
图4示出了实施例1、实施例2和实施例3制备的光热材料的XRD图像，从曲线可知，三个样品高度一致，四个明显的尖峰均是面心立方银的特征散射峰，这充分表明样品为纯银晶体，这与之前的能谱分析一致。银纳米片的XRD曲线图分别在38.00°、44.26°、64.40°、77.32°处均有尖锐的衍射峰，峰出现的位置和JCPDS卡上对应的值吻合(No.04-0783)。这四个峰分别与立方晶系Ag的(111)、(200)、(220)以及(311)晶面相对应，这一结果表明样品是纯相单质银。(111)面衍射强度要远大于(200)面的衍射强度，强度值比为3，表明银纳米三角形片(111)面择优取向。
为了研究银纳米片在近红外区域的吸收率，使用紫外-可见-近红外光谱法研究了银纳米片的近红外吸收峰。由于表面等离子体共振(SPR)效应，银纳米片的等离子体共振(LSPR)吸收峰的局部表面位于NIR区域。LSPR吸收峰与纳米晶体的介电环境，纳米晶体的几何形状以及颗粒的团聚状态有关。其中，纳米晶体的几何形状是等离子体共振的关键因素。银种子溶液的NIR吸收峰位置在650nm(图6)，并且UV-Vis-NIR的吸收峰位置在六个生长周期后发生红移，这主要是由于银纳米片的尺寸变化引起的。如图5所示，经过六轮生长后，所有三个银纳米片的UV-Vis-NIR吸收峰位置均接近808nm。在330nm处的吸收峰是盘状银纳米片的外部四极等离子体共振吸收峰，并且在400nm和450nm之间的顶峰是银纳米片的面内四极共振吸收峰。右侧最强的峰是银纳米片的内部偶极共振吸收峰，该峰对纳米颗粒的尺寸高度敏感。使用二极管激光发射器的波长为808nm，并且所有三个纳米片均具有良好的光吸收率。
通过向样品k-9玻璃表面滴加10uL的实施例1～3制备的光热材料，滴加前后用近红外激光器辐照(808nm，1W)照射不同的样品。用红外摄像机测试样品升温影像，并通过测量温度随时间的变化来研究光热效应。如图7所示，采用超声的实施例1制备的光热材料的升温速率快于其他两个纳米板。如图8所示，激光照射时间为2s，实施例1制备的光热材料，实施例3制备的光热材料和实施例2制备的光热材料的温度分别为60℃，40℃和35℃。与实施例3制备的光热材料和实施例2制备的光热材料相比，采用超声的实施例1制备的光热材料具有更好的LSPR性能。随着激光辐照时间持续10s，实施例3制备的光热材料和实施例2制备的光热材料的温度分别接近45℃和40℃，而实施例1制备的光热材料接近100℃。对于实施例1制备的光热材料，晶体中的裂纹更细小，在相同的照射密度和时间下，它们会形成更多的光热部位。由于尖角和颗粒间裂纹，与实施例3制备的光热材料和实施例2制备的光热材料相比，实施例3制备的光热材料具有较高的光转化为热效率。图9示出了当激光照射时间达到10s时玻璃厚度随温度变化的曲线。与其他两个银纳米片相比，在相同厚度下实施例1制备的光热材料的温度最高。K-9玻璃底部的实施例1制备的光热材料的温度仍高于实施例3制备的光热材料和实施例2制备的光热实施例1制备的光热材料的温度仍高于实施例3制备的光热材料和实施例2制备的光热材料材料的表面，这对于在低激光能量下进行激光引发非常重要。
基于剧烈的激光诱导的温度升高和独特的能量特性，还对激光引发的进一步研究进行了研究。在激光引发室中压制RDX或B/KNO3炸药药柱7，然后将5uL银纳米片溶液5滴在药柱7的表面上并真空干燥12小时；将压制的炸药药柱7插入Ф4mm×3mm的引发室3中，然后用厚度为1mm K9玻璃6密封，炸药和K9玻璃通过带螺纹的铝盖压紧接触；激光引发通过使用波长为808nm、脉冲时间为50ms脉冲激光进行，直径为0.2毫米的激光束穿过K9玻璃射到药柱的表面，实现激光引爆；如图10和11所示，1为激光发射器、2为光电转换器，其用于记录B/KNO3的燃烧光作为延迟时间信号，3为引发室，4为计算机，用于收集光电转换器和CCD的数据，5为药柱表面的光热材料，6为K9玻璃，7为药柱。
使用不同的激光功率来研究RDX的起始阈值。如图12所示，实施例4制备的光热材料、实施例1制备的光热材料、实施例3制备的光热材料、实施例2制备的光热材料和纯RDX的起始阈值分别为90W、100W，180W，200W和240W。与实施例3制备的光热材料和实施例2制备的光热材料和纯RDX相比，实施例1制备的光热材料的最小起始激光能量分别降低了44.44％，50.00％和58.33％。实施例1制备的光热材料、实施例3制备的光热材料和实施例2制备的光热材料的铅板损伤实验如图14、图15和图16所示。在受限条件下，铅板已穿透，证明发生了爆炸。该结果表明，通过超声制备的实施例1的光热材料，增加了银纳米片中的颗粒间热点，可以进一步降低RDX引发的激光能量。
B/KNO3圆筒的延迟时间在808nm处测量，激光功率为1W。图13中的数据显示，实施例4制备的光热材料、实施例1制备的光热材料、实施例3制备的光热材料和实施例2制备的光热材料和纯B/KNO3的延迟时间分别为24.6ms，29.3ms，36.6ms，46.8ms和59.8ms。与实施例3制备的光热材料和实施例2制备的光热材料和纯B/KNO3相比，实施例1制备的光热材料的激光能量分别降低了19.95％，37.39％和51％。这种实验方法不仅将银纳米片作为激光能量转换器，而且可以应用于许多激光吸收率低，激光扩散度高的高能量材料。这对于开发低激发能的激光引发剂具有深远的意义。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在搅拌49mL去离子水的同时，依次加入3mL 30mmol/L的柠檬酸三钠溶液 、3mL20mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮溶液、120uL 35wt%的过氧化氢溶液、1mL 100mmol/L的AgNO3溶液和1.2mL 100mmol/L的NaBH4溶液，在25℃下，搅拌2~3小时，得到种子液；
步骤二、按体积份，取15~25份种子液离心浓缩至1~3份，然后加入15~20份去离子水，超声10~20min，然后在搅拌的同时，依次加入0.4~0.6份35~45mmol/L的柠檬酸三钠溶液和0.4~0.6份35~45mmol/L的L-抗坏血酸溶液，然后滴加8~12份0.5mmol/L的AgNO3溶液，将加入0.4~0.6份35~45mmol/L的柠檬酸三钠溶液和0.4~0.6份35~45mmol/L的L-抗坏血酸溶液、以及滴加8~12份0.5mmol/L的AgNO3溶液的过程重复6次，得到银纳米片溶液，即用于炸药激光引爆的光热材料。
2.如权利要求1所述的用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，超声的功率为200~300W，超声的频率为50~60KHz。
3.如权利要求1所述的用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，搅拌的速度为1400~1600r/min；所述步骤二中，离心浓缩的转速为1000~1200r/min，搅拌的速度为140~160r/min；滴加8~12份0.5mmol/L的AgNO3溶液的速度为每半小时滴加8~12份。
4.如权利要求1所述的用于炸药激光引爆的光热材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，超声采用密封加压超声，其工艺参数为：每超声反应2~3min后间隔停止超声1min，压力0.5~1.5MPa，频率50~60KHz。
5.一种如权利要求1~4任一项所述的制备方法制备的光热材料在炸药激光引爆的的应用，其特征在于，在激光引发室中压制RDX或B/KNO3炸药药柱，然后将5uL银纳米片溶液滴在药柱的表面上并真空干燥12小时；将压制的炸药药柱插入Ф4mm×3 mm的引发室中，然后用厚度为1 mm K9玻璃密封，炸药和K9玻璃通过带螺纹的铝盖压紧接触；激光引发通过使用波长为808 nm的脉冲激光进行，直径为0.2毫米的激光束穿过K9玻璃射到药柱的表面，实现激光引爆。
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