含能材料冲击过程中压力温度状态的飞秒受激拉曼光谱技术研究

The reaction mechanism of energetic materials under shock compression is a fundamental problem in weapon development and other fields. In the experimental study of reaction dynamics of energetic molecules, it is a crucial and difficult technique to monitor the evolution of the pressure and temperature and the molecular structure under shock compression in real time. To solve this problem, we propose to employ femtosecond stimulated Raman spectroscopy (FSRS) to detect the evolution processes. Considering the fact that most energetic materials are strong scattering, backward detection mode would be used to avoid strong scattering background in the forward signal. The changes of both pressure and temperature of the energetic material systems under shock compression would be obtained simultaneously by using FSRS, and owing to the coherent characteristic of FSRS, high spectral signal-to-noise ratio and measurement precision would be achieved. Moreover, as a vibrational spectroscopy technique, FSRS can be used to trace the changes of molecular structure and breaking sequence of chemical bonds synchronously. Therefore, this project would establish contacts between ignition reaction processes and shock states of energetic materials, and do favor to gain further insight into the reaction dynamics of energetic materials under shock compression.

含能材料在冲击作用下的反应机理是武器开发等领域的基础问题之一。如何对材料在冲击作用下的分子结构及宏观压力温度状态参量的演化过程进行实时监测，是对含能材料分子反应动力学过程进行实验研究的关键技术和难点。针对这一问题，本项目中提出利用飞秒受激拉曼散射技术来探测材料分子结构及宏观状态参量的演化过程，并针对含能材料多为高散射介质的实际状况而选择采用背向探测的方案，以解决前向信号被严重散射的问题。利用受激拉曼散射光谱能够同时获得含能材料体系在冲击加载下的压力及温度参量，由于采用了相干光谱技术，可以得到很好光谱信噪比和较高的测量精度。同时，作为振动光谱技术的一种，受激拉曼散射还能够追踪含能材料的分子结构变化和化学键断裂时序。因此，本项目方案能够为材料点火反应进程和冲击状态之间建立联系，将有助于加深对含能材料冲击反应动力学的了解。

含能材料在冲击作用下的温度和压力是研究材料反应机理以及建立炸药起爆模型的重要状态参量。本项目的目的是利用受激拉曼光谱技术对含能材料在冲击作用下的温度和压力状态进行测量，为解决快速测温问题提供一种可行的光学诊断方案。在项目的执行过程中主要完成以下研究工作：.(1)建立了飞秒受激拉曼实验系统，利用该系统可以获得被测样品的受激拉曼增益光谱(SRG)，受激拉曼损失光谱(SRL)，以及相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)。系统在搭建时采用了背向探测的方式，因此可以获取粉末或微晶等非透明样品的受激拉曼光谱。.(2)明确了受激拉曼光谱测温的适用范围，提出了一种新的拉曼测温方案。在受激拉曼光谱中，利用SRL和SRG的强度比进行测温仅适用与共振激发的情况，在非共振激发时，SRL和SRG的强度比基本不具有温度依赖特性。针对这一问题，我们提出了利用CARS和SRG信号的强度比的方案并做出了实验验证，这一工作拓展了受激拉曼光谱测温的应用空间。.(3)结合纳秒激光冲击技术，研究了典型含能材料RDX的冲击响应特性。在光谱中看到了RDX多个振动模式对应的拉曼谱线在冲击记载下的频移，根据谱线的频移确定了体系的压力变化过程；同时分析了RDX分子的结构变化以及分子内的电荷转移。.在本项目的研究中还存在一个问题：即利用受激拉曼光谱暂时无法获得含能材料在冲击作用下的温度变化情况。原因有可能是因为在冲击加载下，光谱测温的灵敏度不够高；另一个可能的原因是实验系统的时域探测范围较小，体系在较短的时间内尚未发生明显的改变。我们已经设计了改进方案，将在后续的工作中进一步深入研究。.本项目工作建立了一种新的拉曼诊断技术，可用于含能材料的冲击响应及状态诊断。在项目执行过程中，相关的研究成果已发表SCI文章4篇，在国内学术会议上进行了1次展示，培养了2名硕士研究生和1名博士研究生。目前所建立的拉曼测温技术已经受到国内同行的关注，为后续的合作研究奠定了基础。