微波在含能材料中的应用研究进展_程健.pdf

含能材料2023 年 第 31 卷 第 2 期（201-212）微波在含能材料中的应用研究进展CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS微波在含能材料中的应用研究进展程健1，2，3，张泽华1，2，3，李福伟1，2，3，汪辉1，2，3，叶迎华1，2，3，沈瑞琪1，2，3（1.南京理工大学化学与化工学院，江苏 南京 210094；2.南京理工大学空间推进技术研究所，江苏 南京 210094；3.微纳含能器件工业和信息化部重点实验室，江苏 南京 210094）摘要：微波作为一种清洁能源，因其独特的穿透性可在体积内与含能材料相互作用，安全性高，在含能材料中应用广泛。本文从微波在含能材料测试中的应用、微波辅助合成含能材料、微波激发含能材料以及微波增强推进剂燃烧等进行了总结，指出了微波辅助合成含能材料机理尚不明确、微波敏化炸药中引入的吸波材料较单一、微波增强燃烧只适用于部分推进剂等问题，提出了未来的发展方向：扩充吸波材料种类、通过纳米铝热剂的微波点火来激发非金属含能材料以及实现微波装置的灵巧、便捷性。关键词：微波；含能材料；微波辅助合成；铝热剂；微波点火；综述中图分类号：TJ45；TJ55文献标志码：ADOI：10.11943/CJEM2022089 0引 言含能材料是一类储存大量化学能的物质，在一定的冲击、压力或温度下，产生剧烈的、瞬间的能量，在军民领域应用广泛1-3。电4、热5、激光6等形式的能量均是直接作用于含能材料的表面，而微波辐射可以穿透典型的含能材料，从而在整个体积内与材料产生相互作用，这是其他形式能量所不具有的优点，同时，微波能量较低，具有较好的安全性，近年来备受学者关注7。微波是指频率在 300 MHz300 GHz 之间、波长1 mm1 m 之间的电磁波，具有易集聚成束、高度定向以及沿直线传播的特性8-9。对于不同的材料，微波可呈现穿透（如玻璃、塑料、陶瓷等）、吸收（如水）和反射（如金属）3种基本性质。本文对微波在含能材料中的应用相关研究进展进行了介绍，具体从微波在含能材料测试中的应用、微波辅助合成含能材料、微波激发含能材料以及微波增强推进剂燃烧等 4个方面进行了综述，指出了当前研究存在的问题，提出了未来微波在含能材料中进一步的应用和发展方向。1微波在含能材料测试中的应用微波可以对含能材料进行无接触测量，减少对测试目标的外界干扰，提高测试安全性。微波主要用于测试炸药的爆速和弹丸内弹道特性参数、诊断等离子体密度以及测量含能材料的介电常数。前三者利用了基于多普勒效应的微波干涉法（Microwave Interfer-ometry，MI），即运动目标反射的电磁波与入射电磁波产生频移现象，频差与运动目标速度成正比10-12，具体关系可表述为：v(t)=02fd(t)（1）式中，v(t)为待测目标速度，ms-1；0为自由空间电磁波波长，m；fd(t)为多普勒频移量，Hz；对于非匀速运动目标，fd(t)随时间变化。1.1用于测试炸药爆速爆速是炸药性能的重要参数，利用 MI测爆速的优点在于，微波可以在不影响材料的情况下深入到爆炸物中，并以毫米尺度的空间分辨率提供前沿位置信息。此外，爆轰前沿回波信号的幅值可以在一定程度上反文章编号：1006-9941（2023）02-0201-12引用本文：程健,张泽华,李福伟,等.微波在含能材料中的应用研究进展J.含能材料,2023,31(2):201-212.CHENG Jian,ZHANG Ze-hua,LI Fu-wei,et al.Review on Microwave Application in Energetic MaterialsJ.Chinese Journal of Energetic Materials（Hanneng Cailiao）,2023,31(2):201-212.收稿日期：2022-04-13；修回日期：2022-06-04网络出版日期：2022-08-19基金项目：江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX22_0487）作者简介：程健（1998-），男，博士在读，主要从事含能材料与微波相互作用等研究。e-mail：通信联系人：沈瑞琪（1963-），男，教授，主要从事先进火工品技术，新型含能材料以及空间推进技术研究。e-mail：叶迎华（1962-），女，研究员，主要从事先进火工品技术以及纳米含能材料研究。e-mail：201www.energetic-含能材料Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.31,No.2,2023（201-212）程健，张泽华，李福伟，汪辉，叶迎华，沈瑞琪映爆轰波在成长中产生的热点密度。1944 年，Koch 等13首次利用微波研究含能材料的爆速。1958年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室14利用 MI研究了 CHN 基炸药的爆轰过程，发现爆轰波前沿为高密度离子区，微波无法穿透而使波阵面成为反射面，通过将反射波导入微波干涉仪并结合入射波测得炸药的波阵面速度、Chapman-Jouguet（C-J）压力、和温度。Owen 等15利用微波干涉仪对柱状 1，3，5-三氨基-2，4，6-三硝基苯（TATB）基炸药爆轰前沿进行了诊断，分别在 26.5 GHz和 39 GHz频段同时采集数据，直接比较爆轰前沿特性，发现微波干涉仪和光子多普勒测速探头（PDV）测量结果吻合，验证了微波干涉仪的准确性。2018 年，Vuppuluri 等16利 用 MI 测 量 了 1-甲基-3，5-二硝基-1，2，4-三唑（MDNT）和六硝基六氮杂钨烷（CL-20）摩尔比为 1 1时共晶炸药的爆速，并与相应的物理共混物进行比较，测试装置如图 1。结果表明，MDNT/CL-20 共晶在相同电荷密度下，爆速较物理共混物提高约 500 ms-1，并且 MI 可以分辨低至100 ms-1的爆速差，解决了因低产率而无法测量共晶炸药爆轰参数的问题。MI测量爆速在实际使用中的局限性在于，微波会在试样表面发生一定程度的衰减，同时，试样的几何形状、粒度分布和金属含量都会对测量结果造成不同程度的影响，这些是今后的研究方向。1.2用于测量弹丸内弹道特性参数内弹道过程是弹丸获得动力的重要阶段，研究弹丸内弹道特性参数，对于发展内弹道理论，研究新型的枪支、火炮、电磁炮，以及膛管内磨损、内壁质量等检测等都具有重要意义17。目前，MI用于测量弹底压力、膛内过载以及弹丸运动速度等内弹道特性参数。2010年，柳斌等18利用微波干涉仪对某型榴弹炮进行了测试，获得了火炮发射时弹丸在膛内的运动参数，并通过信噪比对数据进行分析。当信噪比为 17.4 dB时，弹丸在最大运动速度 2000 ms-1时的相对精度为0.134%，在 最 小 运 动 速 度 60 ms-1的 相 对 精 度 为0.398%，从理论上验证了微波干涉仪的测量精度。与此类似，Ren等19设计了基于 MI的内弹道参数测试系统（如图 2），并对某炮弹进行了实测。利用二阶仿真多普勒信号对系统的有效性进行了验证，对比发现，当弹丸速度接近 0 时，相对误差较大，而当速度超过40.27 ms-1时，相对误差小于 1%，且随着速度的增加相对误差逐渐减小，最终减小到-0.0184%，弹丸速度最终增加到 2124.9 ms-1。2019年，赵煜华等20利用微波干涉仪对弹丸在膛内运动的多普勒信号进行了研究，获得了弹丸运动速度，以及对应时间膛内的压力和过载曲线。结果表明，微波干涉仪测得的弹丸炮口速度与光电测速靶所测值误差约为 0.22%，测得的弹丸膛内运动时间与基于压电压力的测试结果误差为 0.17%，表明微波干涉仪所测参数非常接近弹丸在膛内的实际运动状态。MI实质是将时域速度信号调制成频域信号，因此速度信号的获取相对于弹丸运动具有滞后性，同时在测量小口径武器时，膛壁回波对干涉信号干扰较大，测量分辨率会有所降低，将是今后亟需解决的重要问题。1.3用于诊断等离子体密度等离子体诊断是获得等离子体特征参数及观测其相关物理现象的有效手段，目前常用的方法有 Lang-muir探针法21、发射光谱法22、汤姆森散射法23以及MI。与其他方法相比，MI属于非介入式测量，可以观测瞬变等离子体，同时也可测定传输信号的衰减量，与图 1基于 MI测量炸药爆速实验装置16Fig.1The experimental device for measuring the velocity of detonation for explosives based on MI16图 2基于 MI的内弹道参数测试系统示意图19Fig.2Schematic diagram of interior ballistic parameters test system based on MI19202CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS含能材料2023 年 第 31 卷 第 2 期（201-212）微波在含能材料中的应用研究进展实验测试环境兼容性较好，在实际应用中潜力巨大。2010年，王长健等24利用微波干涉仪研究了火箭羽流中的等离子体密度对导弹隐身和制导性能的影响，装置如图 3所示。微波源输出的微波一分为二，一路是通过待测等离子体的探测波束，另一路是途中没有等离子体的参考波束，两路波束重新会合后产生干涉条纹，干涉条纹的信息由接收端的电路部分分析处理，得到等离子体密度。与之相似，贺武生等25利用微波干涉仪测量了微波等离子体推力器（MPT）羽流中的电子数密度，结果表明，通过该方法所得到的电子数密度的空间分布及变化规律与 Langmuir 诊断结果一致。2014 年，谢中元等26利用 MI 测量了含硝酸铯（CsNO3）及不含 CsNO3推进剂燃烧产物的等离子体浓度，实验发现，CsNO3的添加可显著提高燃烧产物的电子浓度，含 6%硝酸铯的丁羟推进剂燃烧产物的平均电子浓度为 1.91012 cm3，较不含 CsNO3推进剂燃烧产物提 100倍以上。2018 年，Song 等27针对等离子体微波干涉诊断只能得到微波传播路径上的平均电子密度的问题，提出了一种基于流体动力学建模的微波干扰诊断方法，可获得精确的电子密度分布。该方法在 COMSOL 平台上采用多物理场耦合方法建立了电感耦合等离子体（ICP）的流体模型。然后引入一组玻尔兹曼方程求解电子能量分布函数、扩散系数和输运系数。基于流体动力学模型，通过求解电子漂移扩散方程、电子能量漂移扩散方程和动量通量守恒方程，得到了电子密度的二元分布，最终获得微波在传输路径上的电子密度分布函数。最后，建立了透明室 ICP实验系统，验证了新方法的有效性。利用微波干涉仪诊断等离子体密度数虽不会影响等离子体分布，但所获数据是等离子体电子密度总体平均的结果，在理论验证和分析过程中很难建立起之间的联系来反映出等离子体的相关物理特性，将微波干涉仪和其他等离子体诊断方法融合测量是一个重要的发展趋势。此外，研究人员还用微波来测试含能材料的介电常数28-30，介电常数反映了材料吸收电磁能，以及将电磁能转换为热能等其他能量的能力，能力越强越容易被微波加热甚至发火，体现了含能材料与电磁辐射相互作用的特性，对于含能材料在武器系统、采矿以及爆破等行业的正确使用和充分利用至关重要。2微波辅助合成含能材料由于自身含能，含能材料的合成具有一定的危险性。近年来，利用微波技术和离子液体等新型环保方法合成高性能含能材料取得了长足进展31-32。微波辅助合成可以追溯到 1986年，RICHAR 等33用微波辐射和传统热流两种方法合成不同的有机化合物，发现条件合适时，微波辐射对于许多反应的增速可以达到200倍。微波辅助合成是利用微波加热的优势34-35，主要作用于极性溶剂中的电介质，对于非极性材料难以进行有效加热。当电介质置于电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或使已有的偶极子重新排列，并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速率摆动，分子在重新排列过程中克服原有的热运动和分子间相互作用的干扰和阻碍，产生类