納米金屬Al復合含能材料激光光熱過程研究.pdf

1、納米金屬復合含能材料作為一種新興的能量體系具有高度可調的能量釋放率等優(yōu)點。目前的應用和研究表明：需要對納米含能材料的反應動力學過程盡可能詳細地了解以提高其綜合性能。激光誘導納米含能材料反應過程(如點火或燒蝕)的機理存在著兩種基本的解釋：一個是熱點火；另一個是沖擊壓力點火，即激光感生沖擊壓力引發(fā)化學反應從而實現(xiàn)點火。這兩種機制哪一個占主要地位，分別在什么情況下適用尚不清楚。針對這一背景問題，本文選取納米金屬鋁復合硝化纖維含能材料(Al/N

2、C)為研究對象，采用實驗測量和數(shù)值模擬的方法研究 Al-Al2O3納米粒子的光吸收性質以及脈沖激光引發(fā)納米含能材料的點火初期熱反應動力學機制。
　　對鑲嵌在硝化纖維中的Al-Al2O3核殼納米粒子的近紅外和可見吸收光譜的實驗測量和數(shù)值模擬表明：金屬的帶間躍遷起始頻率是和尺寸相關的，這種尺寸相關性是由納米粒子的小尺寸效應和表面效應導致電子結構的改變引起的，并且是吸收峰紅移的主要原因。
　　為了進一步探求帶間躍遷起始頻率與納米粒

3、子尺寸之間的關系，對其它幾種尺寸的Al-Al2O3核殼納米粒子的吸收光譜進行了測量和模擬。研究發(fā)現(xiàn)帶間躍遷起始頻率隨納米金屬直徑(25-100nm)的減小近似線性的減小。這種變化關系與最近文獻報道的納米粒子內壓力隨粒子直徑的變化關系相接近。帶間躍遷起始頻率與尺寸關系的確立使金屬介電函數(shù)的尺寸效應不再僅僅表現(xiàn)在自由電子阻尼系數(shù)上，電子的帶間躍遷尺寸效應也可以被引入到金屬的介電函數(shù)中，從而更有效的描述納米粒子的光學性質。
　　引入帶間

4、躍遷的尺寸關系研究了 Al-Al2O3納米粒子的核殼尺寸(包括氧化)、粒子的形狀以及點火光波長對其光吸收性能的影響。一個反直覺的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)：納米金屬粒子的氧化可以增強光吸收，但是這種增強性要依賴于點火光波長和初始時刻納米粒子的核殼尺寸。在同體積條件下，橢球形納米粒子因其表體比較大而具有比球形納米粒子更強的光吸收性能，這表明用橢球形納米粒子作為含能材料的添加劑可以減小點火時間；這些結果在納米含能材料的激光點火和材料制備等應用方面具有重要的

5、指導意義。
　　給出鑲嵌在介質中的納米金屬粒子吸收脈沖激光的瞬時功率密度的解析表達式，進而分別利用雙溫模型和Fourier定律計算短脈沖(1ps、10ps、100ps)和長脈沖(10ns、25ns)激光加熱 Al/NC薄膜的溫度場分布。結果表明：當脈沖寬度大于或等于100ps時，F(xiàn)ourier熱傳輸模型可以用來計算溫度場分布；此時，需要考慮納米金屬 Al粒子與周圍 NC介質之間的熱量交換。當脈沖寬度小于100ps時，需要用雙溫模型

6、求解溫度場分布。
　　以熱分解機制為基礎發(fā)展了熱點模型數(shù)值模擬了100ps、10ns、25ns脈沖激光激發(fā) Al/NC納米含能材料的熱反應動力學過程。熱點模型涉及納米金屬 Al吸收脈沖激光能量，熱量傳播引發(fā)放熱的化學反應以及其釋放的能量反饋給熱點。計算中，考慮了脈沖激光作用期間納米 Al粒子和周圍 NC介質之間的熱交換和化學反應，金屬 Al核的消耗以及反應后原物質的改變。體系中發(fā)生化學反應的位置是時間、空間和溫度的函數(shù)。Matla