納米金復(fù)合炸藥的設(shè)計及其近紅外光吸收性質(zhì)研究

王智，彭亞晶，趙雨新，賓耀銘

(渤海大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

1 引言

近紅外激光二極管具有體積小、質(zhì)量輕、價格低等優(yōu)點，可滿足激光點火技術(shù)在武器裝備中的應(yīng)用需求[1]。然而，含能材料在近紅外波段的光吸收性能較差，不易實現(xiàn)近紅外激光點火。納米金屬粒子由于具有表面等離共振的特性，已經(jīng)被廣泛用作含能材料中的光敏劑，以改善含能材料的光熱性質(zhì)及其激光點火性能。金納米粒子由于具有大光吸收截面、表面效應(yīng)及光譜選擇性等優(yōu)點，是一種理想的含能材料添加劑。相比于Al等金屬，金表面不易被氧化，可較好吸收激光能量。當(dāng)激光點火納米金復(fù)合炸藥時，在納米粒子與炸藥接觸面周圍將產(chǎn)生一個大的局域電場，即局域表面等離激元共振效應(yīng)(LSPR)[2-4]。由于激光輻射耦合到LSPR中，或者導(dǎo)帶電子的集體共振[5,6]，當(dāng)LSPR頻率帶與激光頻率接近時，納米粒子就會強烈地吸收激光并有效地將吸收能量轉(zhuǎn)換成熱能。因此，炸藥的點火能力在此特定的激光波長下達到了最優(yōu)化。等離子共振吸收特性顯著地依賴于納米粒子的尺寸和密度[7]，且可通過調(diào)節(jié)納米粒子的尺寸來改變最佳光吸收波長去增強激光點火性能和波長選擇性。因此，通過摻雜技術(shù)可以實現(xiàn)含能材料的近紅外激光點火，以實現(xiàn)點火激光器小型化并降低成本[8]。然而，對于納米金復(fù)合炸藥的近紅外激光點火能力如何還不清楚，納米金粒子的摻雜方式對點火能力是很重要的，它應(yīng)設(shè)計滿足在點火過程最大程度地吸收激光熱量，并把熱量傳遞給炸藥，以降低激光點火閾值。

納米復(fù)合含能材料根據(jù)合成方式不同，主要有三種結(jié)構(gòu)[8-10]：金屬核炸藥殼型納米復(fù)合粒子，炸藥核金屬殼納米復(fù)合粒子，納米級金屬顆粒與含能顆粒均勻混合的納米粒子。實驗通常所用的近紅外激光波長約800 nm左右。因此，根據(jù)紅外激光波長，如何選擇納米復(fù)合含能粒子的結(jié)構(gòu)和尺寸，對降低激光點火閾值有著重要的作用。

本文對實驗上制備的上述三種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米含能粒子的近紅外光吸收特性進行了分析，利用離散偶極近似方法計算了復(fù)合粒子不同核殼比及在不同介質(zhì)環(huán)境下(空氣和水)發(fā)生表面等離共振現(xiàn)象的吸收光譜。給出了與近紅外激光波長相匹配的最佳復(fù)合納米粒子的尺寸參數(shù)，為近紅外激光點火中納米金屬炸藥的設(shè)計應(yīng)用提供必要的參數(shù)。

2 計算方法

離散偶極近似理論(DDA)[11]近年來被發(fā)展成為一種原則上可對任意形狀及尺寸的金屬納米粒子的吸收、散射及消光性質(zhì)進行計算的新方法[12]，它與實驗測得的紫外-可見吸收光譜相結(jié)合，已成為目前認(rèn)識納米粒子的光學(xué)性質(zhì)的重要手段。DDA方法是用離散的N個點偶極子組合來代替連續(xù)介質(zhì)，將粒子視為N個可極化點的立方體晶格構(gòu)成的[13]。本文采用離散偶極近似理論方法，利用DDSCAT7.3軟件包構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)及尺寸的納米粒子，并給出相關(guān)粒子的有效半徑、偶極子數(shù)目、粒子隨頻率變化的介電常數(shù)及粒子周圍介質(zhì)的介電常數(shù)等參數(shù)，計算其近紅外吸收光譜。

3 復(fù)合納米金屬粒子對近紅外激光的吸收特性分析

3.1 Au-RDX球形核殼納米粒子光吸收特性

DDSCAT構(gòu)建的Au核RDX殼納米粒子的模型如圖1所示，其中，黃色為Au核，藍色為RDX殼。

圖1 Au-RDX核殼納米粒子模型圖

根據(jù)近紅外激光二極管的輸出波長(約800 nm)，我們計算了不同核殼尺寸的Au-RDX納米粒子在空氣中的吸收光譜，尋找最大光吸收情況下的最佳核殼尺寸。

圖2為離散偶極近似計算獲得的RDX殼尺寸不變，改變Au核的尺寸對光吸收性質(zhì)的影響?？梢姡S著Au核尺寸的增加，吸收強度先增加后減小，吸收峰發(fā)生了紅移。在800 nm激光波長作用下，當(dāng)Au核半徑為65～70 nm，RDX殼厚度為30 nm左右時，有最強的光吸收。圖3為具有較大光吸收效率的Au核，在不同RDX殼尺寸下的吸收光譜?？梢?，隨著RDX殼尺寸的增加，吸收峰強度也出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，吸收峰也出現(xiàn)了紅移。當(dāng)核為60 nm時，RDX殼尺寸應(yīng)在40 nm左右，才能對800 nm左右的激光有較高的光吸收。

圖2 Au-RDX核殼球形納米粒子在空氣中的核尺寸對吸收光譜的影響

圖3 Au-RDX核殼球形納米粒子在空氣中的殼尺寸對吸收光譜的影響

由于光聲效應(yīng)實驗基本在水下進行[14,15]，因此本文也分析了復(fù)合納米粒子在水中的光吸收特性。計算的復(fù)合納米粒子在水中的吸收光譜如圖 4和圖 5所示。圖4為半徑60 nm的金核和不同尺寸的RDX殼納米粒子的吸收光譜?？梢姡瑢τ谙嗤叽绲募{米粒子，在水中的吸收峰比空氣中的吸收峰要紅移。這是因為納米粒子的光吸收峰波長與周圍介質(zhì)介電常數(shù)之間滿足如下關(guān)系[16]：

圖4 Au-RDX核殼球形納米粒子在水中的核尺寸對吸收光譜的影響

(1)

其中，c為周圍介質(zhì)的濃度，ωp為納米金屬的本征等離子體共振頻率，εm為周圍介質(zhì)介電常數(shù)。由于水的介電常數(shù)比空氣的介電常數(shù)大，因此核殼納米粒子光吸收峰波長將變大，即出現(xiàn)紅移。此外，隨著RDX殼厚度的增加，吸收峰也會發(fā)生紅移。對于800 nm左右的激光，當(dāng)納米粒子的核殼尺寸為20～60 nm時具有較高的光吸收。圖5為RDX殼尺寸保持30 nm不變，改變核的尺寸對吸收光譜的影響。可見，隨著核的尺寸的增加，吸收峰也會發(fā)生紅移。當(dāng)核殼尺寸在30～55 nm范圍時，對于波長為800 nm激光有較強的光吸收。

圖5 Au-RDX核殼球形納米粒子在水中的殼尺寸對吸收光譜的影響

3.2 Au-RDX-Au-RDX球形納米粒子光吸收特性分析

當(dāng)Au和RDX顆粒均勻混合成球形納米粒子時，可形成如圖6(a)所示的結(jié)構(gòu)[10]。為了方便計算，采用兩種物質(zhì)以球殼形式均勻相間(Au-RDX-Au-RDX)的等效模型結(jié)構(gòu)模，如圖6(b)所示，相應(yīng)的計算模型如圖6(c)所示。

圖6 (a)實驗制備出的均勻混合的球形納米粒子；(b)為計算用的兩種物質(zhì)均勻相間的等效模型;(c)構(gòu)建的計算模型

圖7和圖8分別為離散偶極近似計算獲得的不同尺寸的Au-RDX-Au-RDX球形納米粒子在空氣和水中的吸收光譜?？梢姡?dāng)彼此均勻混合成尺寸為110 nm(金和RDX的厚度分別為28-28-28-28 nm)左右的球形粒子時，其在空氣環(huán)境中對800 nm激光波長有較大的光吸收。而當(dāng)彼此均勻混合成尺寸為90 nm(23-23-23-23 nm)左右的球形納米粒子時，其在水環(huán)境中對800 nm激光波長具有較大的光吸收。

圖7 Au-RDX-Au-RDX均勻混合球形納米粒子在空氣中的吸收光譜

圖8 Au-RDX-Au-RDX均勻混合球形納米粒子在水中的吸收光譜

3.3 RDX-Au納米粒子光吸收特性分析

當(dāng)制備為納米級RDX核Au殼的球形粒子時，構(gòu)建如圖9所示的離散模型，計算其在空氣和水中的吸收光譜如圖10和圖11所示?？梢姡摻Y(jié)構(gòu)若實現(xiàn)在800 nm波長附近具有較高的光吸收，則其核殼尺寸大概在300 nm和70～80 nm左右。

圖9 構(gòu)建的RDX核Au殼的球形粒子模型

圖10 RDX-Au球形核殼粒子在空氣中的吸收光譜

圖11 RDX-Au球形核殼粒子在水中的吸收光譜

以上計算的關(guān)于Au和RDX復(fù)合炸藥粒子，其在不同結(jié)構(gòu)、尺寸以及環(huán)境中的光吸收情況如表1所示?？梢?，當(dāng)制備成納米級Au核RDX殼球形粒子時，其在800 nm波長附近具有較高的光吸收，相應(yīng)的核殼尺寸分別約為60 nm和20 nm左右，且在水中的吸收要比在空氣中的吸收強。

表1 復(fù)合納米粒子光吸收情況

4 結(jié)論

本文利用離散偶極近似法(DDA)模擬了不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸的金-RDX復(fù)合納米炸藥在不同環(huán)境介質(zhì)中的近紅外吸收光譜。獲得了對近紅外光有最佳光吸收的復(fù)合炸藥的有效組合為Au核RDX殼球形納米結(jié)構(gòu)，其光吸收效率可達到3.2左右，且相應(yīng)的核殼尺寸分別為60 nm和20 nm，并指出了在水環(huán)境介質(zhì)下，該復(fù)合納米炸藥的光吸收性能增強。因此，將該種復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于激光點火中可有效增加對近紅外激光的吸收，有助于降低激光點火閾值。這對于納米金復(fù)合炸藥的近紅外激光點火的應(yīng)用提供了必要的支撐信息。