北理工团队在含能材料性能及感度快速检测技术方面取得重要突破
近期，澳门新莆京娱乐娱城物理学院姚裕贵教授课题组刘瑞斌教授、郭伟研究员，联合材料学院束庆海教授、夏敏教授、王俊峰副教授、机电学院张同来教授、张建国教授、郭学永副教授、计算机学院付莹教授等，在“微小药量含能材料爆炸性能及感度快速检测技术”方面取得重要突破。相关研究成果发表在近期的Journal of Materials Chemistry A（IF 14.511）、 Optics Express、Journal of Analytical Atomic Spectrometry（光谱学一区）等期刊上。澳门新莆京娱乐娱城物理学院2019级博士研究生王宪双为论文的第一作者，刘瑞斌教授和姚裕贵教授作为通讯作者，澳门新莆京娱乐娱城物理学院为第一通讯单位。
含能材料是国民经济发展和国家安全的重要支撑材料，爆炸性能和安全性能的准确测量是其应用的基础，并对含能材料的合理应用、配方设计、储存、运输等具有非常重要意义。传统的含能材料性能测试依托国军标方法，需要消耗百克到千克级的含能材料开展宏观实爆测量，危险性高、破坏性大，受到装药质量、测试条件等影响，诊断精度低、重复难，且一些新型含能材料受限于产量无法完成测试。基于微小药量快速高精度检测技术一直是该领域憧憬的重要技术。因此，为含能材料的爆轰性能诊断、安全性能评估、爆轰反应过程研究，提供一种安全性高、样品消耗量小、操作简单、成本低、可靠性高的快速分析原理和方法是含能材料及毁伤领域重大需求。
物理学院精密光谱与光电技术课题组针对上述技术需求，基于在激光物质鉴定及定量分析方向10余年的研究经验，并于2017年开始，借助于全链条项目的支持，率先提出“以脉冲激光作用于微克含能材料的等离子体微爆过程来模拟宏观爆轰的新物理思路”和“微爆模拟器”的新概念。课题组在挖掘激光与含能材料相互作用物理理论的基础上，开创了基于激光微爆技术和物理参数修正的统计光谱学模型的含能材料关键性能参数和感度参数预测新原理和新方法。包括以下四个方面：
测试系统构建：自主搭建了小药量含能材料性能测试物理系统，集成了微区超快时间分辨光谱和高速动态流场显微成像系统。开展了覆盖纳秒到毫秒超快时间尺度，微米到厘米的激光诱导反应区微介观尺度的激光诱导跨尺度微爆过程全面探测，有效获得微区爆轰后时间分辨特征原子、分子、离子光谱、激光加载动态图像、微爆燃过程等多维度光学信息。
物理机制探索：弄清了激光与含能材料相互作用的微观物理机制，及超快等离子体过程和微爆动态物理化学过程相关演化机理，证明了激光微爆过程与宏观爆轰存在的强关联物理特性，并提出了微爆动力学物理模型，如图1所示。因此，可以通过对微爆过程的精密物理测量和分析，完成对含能材料爆速、爆压、生成焓等参数的定量分析以及爆温的预测。该成果发表在光学顶级期刊Optics Express上（Opt. Express, 2022, 30(4): 4718-4736.)
图1 微爆动力学过程示意图
五爆参数快速检测：课题组在微爆高速流场演化过程的研究中发现，不同种类的含能材料微区燃爆羽流动力学演化形态、辐射粒子的时空分布存在很大差异，如图2所示。高能含能材料的等离子体寿命较短，冲击波速度较快，而低能含能材料等离子体寿命较长，冲击波速度较慢。通过对时间分辨光谱的观测发现高能、低能含能材料的羽流辐射差异主要来自于C2分子碎片。
同时研究中发现在羽流膨胀和等离子体冷却过程中，振动态玻尔兹曼分布对应温度并非一直降低，而是在特定时间延迟下短暂恒定，如图3所示。这是由于含能材料放热物理化学反应放出的额外热量补偿了等离子体温度的持续衰变。因此，以特定延时下采集的高速动态图像作为输入数据，结合特征提取和线性SVR算法，建立了基于时间分辨图像及光谱的含能材料五爆参数（爆速、爆热、爆容、爆压、爆温）定量分析的机器学习模型，进而完成了27种含能材料的爆轰性能高精度预测，预测模型的平均预测误差均小于5%，如图4所示。该工作为含能材料爆轰性能的快速测试提供了一种低成本、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、高风险、低重复精度的传统宏观测试方法，优势显著。该成果发表在国际权威期刊J Materials Chemistry A（ 2022，10，13114-13123）上。
图2 高速流场演化图像：(b)激光诱导冲击波演化图像；(c)激光诱导等离子体演化图像
图3 时间分辨光谱结果：（a）传统高能含能材料光谱强度随时间演化；（b）唑类含能材料光谱强度随时间演化；（c）分子峰实验测试与模拟图对比；（d）玻尔兹曼平面图；（e）传统高能含能材料振动温度随时间演化；（f）唑类含能材料振动温度随时间演化
图4 （左）模型预测图：（a）爆速；（b）爆热；（c）爆容；（d）爆压；（e）爆温；（右）随机盲测结果
四大感度测试：含能材料的感度由其分子和晶体的固有特性决定，例如分子的几何结构、电子结构、元素组成、反应活性(反应活化能、分子分解速率常数、反应可逆性)、分子堆积模式、能带结构、晶体结构、晶格尺寸和缺陷、晶相等。在微介观尺度上研究和建立感度与上述参数的定量关系至关重要。然而，到目前为止，感度与分子和晶体结构之间的定量关系尚不明确。而上述提及的分子和晶体性质的所有关键信息都可以很好地反映在时间分辨激光加载等离子体光谱中。
将脉冲激光聚焦到样品表面微米级范围内，焦点处产生激光等离子体，为含能材料的分解提供了一个局部高温高压环境。在高温等离子体火花中，伴随着强烈的放热化学反应，原子、离子、电子、分子碎片和一些自由基等相互碰撞，如图2（a）所示。化学反应释放能量需要电子参与，从而极大的影响了电子的冷却和复合过程。不同分子和晶体类型的含能材料的解离程度和解离速率都与感度有关，等离子体温度和电子密度都可以由谱线强度给出。研究表明，电子密度和撞击感度、等离子体温度和摩擦感度具有一定的关联性（如图5（b-c））。因此可以通过激光诱导等离子体的有效总辐射谱来评价含能材料的感度，结合等离子体特征光谱和统计学算法，可以很好地建立撞击、摩擦、静电和激光等感度预测模型，预测模型平均相对误差低于10%。该成果作为封底文章发表在原子光谱分析领域最高水平的学术期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry（2021, 36, 2603）上。
图5 激光等离子体与感度关联性分析图：（a）基于激光等离子体光谱的感度预测机理；（b）电子密度和撞击感度关联图；（c）等离子体温度和摩擦感度关联图；
图6 基于PCA-PLS的预测模型：（a）冲击感度、（b）摩擦感度、（c）静电感度和（d）激光感度
总之，微小药量含能材料性能快速检测技术的突破，实现了快速痕量安全成本低的快速检测方式，把含能材料的性能评估由传统的宏观范畴拓展到了微观范畴，为含能材料研发、品控和工艺安全提供关键技术，该方法也将可应用煤炭、冶金、电力等民用领域。
（1）Journal of Materials Chemistry A
论文链接https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TA/D2TA02626K
（2）Optics Express
论文链接https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=""oe-30-4-4718&id=468890
（3）Journal of Analytical Atomic Spectrometry。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/JA/D1JA00325A
本技术研究过程中感谢爆炸科学与技术重点实验室的大力支持。研究工作得到了国家科技部重点研发计划等项目的资助。