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西南交大刘福生研究员团队在《Acta Materialia》上发表含能材料撞击感度研究成果

来源:物理科学与技术学院    日期:2022/7/20 20:37:10    点击数:9039

近日,西南交通大学物理科学与技术学院刘福生研究员带领的高压科学与技术四川省高校重点实验室在揭示含能材料撞击感度机理方面取得重要进展,相关工作以“Predicting impact sensitivity of energetic materials: insights from energy transfer of carriers”为题发表在TOP期刊《Acta Materialia》(IF:9.209)上,论文链接: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118137,博士研究生刘伟红为论文的第一作者,刘其军为通讯作者,钟汨博士、李星翰副教授、西安近代化学研究所甘云丹副研究员和西北工业大学唐斌教授为共同作者。

含能材料因化学键的快速分解会在极短时间内释放大量的能量,在民用和军事领域中发挥着举足轻重的作用。良好的爆轰性能和较低的感度是含能材料得以广泛应用的先决条件,然而这两个特性在分子水平上通常是相互矛盾的。表征含能材料爆轰性能的参数,包括爆轰速度、生成焓、爆炸热和爆轰温度,都是可以通过计算得到。尽管人们对材料化学和爆轰物理有了深入的了解,但对含能材料感度机理的系统阐述仍然是一个长期的挑战。感度机理的模糊使得人们无法对含能材料的感度进行可靠地预测,这极大地限制了含能材料的应用。在此背景下,更深入地了解感度机制可以为设计和开发满足未来需求的低感高能化合物提供框架。

含能材料在受到外界能量的刺激后,会经历许多复杂的物理化学过程,包括能量同化、储存、转移、晶格振动、热点产生、分子解离、燃烧和爆轰等。到目前为止,含能材料广泛接受的点火机制是热点理论和声子泵浦机制。团队基于以上模型,提出载流子的迁移在能量传导过程中起着重要的作用。论文首先研究了16种含能材料(图1a)的力学模量和电子结构与感度的关系,通过对计算结果和实验已有数据的分析,提出新的理论解释:含能材料中的电子如果能将能量快速转移给其他电子和分子,导致难以形成热点,其感度会越低。

无论是热点理论还是声子泵浦机制,其对含能材料感度机理的解释都涉及能量转移。团队认为当含能材料受到外部冲击时,分子的受激部分吸收能量转化为分子振动能、旋转能和电子能,导致分子固有的振动、旋转能级和电子能级发生跃迁,如图1(b)所示,这个过程会伴随着能量的转移或传导。当高能材料受到外部能量的刺激时,内部温度和压力会升高,导致晶体的带隙减小,一些局域电子会变成离域电子,在高温下移动得更快。它们可以向周围扩散,并与温度较低的电子交换能量,将热量带走。如果含能材料中的电子能快速将能量转移到其他电子或分子,导致热点很难形成,其感度就会很低。

如果电子可以在更高的温度下迁移并传导能量,则对电子的分析可以近似地使用自由电子模型。通过综合考虑带隙、电子态密度、载流子迁移率三个参数对含能材料感度的影响,团队得到参数ψ和撞击能量的关系,拟合系数高达0.97,如图1(c)所示。为了进一步验证模型的正确性,计算了含能材料NQ的相关参数来预测其撞击感度,结果与实验符合的很好(图1(d)),验证了模型的准确性。以上工作为含能材料冲击感度的预测提供了新的机理和模型。

该研究工作得到了国家自然科学基金(12072299、11902276、12147208)、中央高校基本科研业务费专项资金(2682020ZT102、2682021CX075)和四川省中央引导地方科技发展专项(2021ZYD0027)等项目经费的支持。

信息员:刘其军     作者:刘伟红     责任编辑:罗蕾

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