硝基甲烷冲击起爆的微观机理及其感度调控的实验研究

The micromechanism of shock initiation of explosives is one of the important frontier scientific problems paid much attentions by researches working on modern detonation physics, shock wave physics, and condensed matter physics. This proposal makes a plan for researches on micromechanism of shock initiation and shock sensitivity control of nitromethane and its sensitized mixtures by means of in situ dynamic pectroscopic techniques newly developed by ourselves in laboratory. Two-stage light-gas gun is used to generate planar shock wave in the studied samples;The diagnosis techniques of shock-induced emission, laser induecd fluorescence, and laser Raman scattering are utilized to look for the possible species of molecules, ions, and chemical groups.The main research contents are focused on melocular structural transformation and component evolution, and on possible adjustment and control to the concentration change by adding amines during the process of shock to detonation; The purposes are to determine the intermediate species, their structures, the order of their appearence, their concentration variation, and the sensitized effects of amine additives on shock sensitivity; A two-step shock initiation mechanism, named for “structural transformation-exothermal reaction” is firstly put forward. The two-step shock initiatin probably verified by this study should be suitable for other explosives, and the sensitivity control scheme revealed by this work may provide scientific basis for the potential applications of this liquid explosive.

从微观层面认识炸药的冲击起爆机理是现代爆轰物理、冲击波物理、高压凝聚态物理等多学科领域共同关注的重要科学问题之一。本项目借助我们自己最新建立的多种原位动态光谱新技术研究硝基甲烷及其敏化混合物冲击起爆的微观机理和感度调控途径。以二级轻气炮作为平面碰撞加载手段， 采用冲击发射光谱、光致荧光光谱、以及激光拉曼光谱等动态光谱技术辨别冲击转爆轰过程中可能出现的分子、离子、以及化学基团等组分， 研究冲击转爆轰过程中体系的分子结构变化和组分演变特征，并研究添加胺敏化剂对组分浓度演变过程的调控作用；确定冲击爆轰过程中生成产物的种类、结构、先后次序、浓度变化特点、以及敏化效应；本项目提出了冲击爆轰的两级起爆新模式，即“结构转变——放热反应”微观机制；所发现的冲击起爆微观机理可能具有普适性，所揭示的感度调控途径可为挖掘这类液体炸药的应用潜力提供科学依据。

爆炸在含能材料中所形成的爆轰波本质上是由冲击波引导并伴随化学能剧烈释放的反应性流场，因此研究含能材料（炸药）的冲击点火机理对其安全性调控具有基本的科学意义和明确实用背景。本项目研究了钝感液体含能材料硝基甲烷（NM）的冲击点火反应特性及敏化剂调控作用，其主要研究内容涉及四个方面：（1）NM冲击发光特性及点火模式调控研究；（2）冲击瞬态拉曼光谱技术及光谱解析方法研究；（3）冲击点火与起爆期间NM分子结构转变和组分演变特性研究；(4) NM高压结构及感度的第一性原理计算研究。取得主要研究结果包括：（1）揭示了冲击加载实验中样靶存在多种非样品发光机制，发现了抑制背景发光干扰的技术途径；揭示出NM在冲击“热爆”点火和“超爆”过程中存在三种基本释能模式，发现少量乙二胺敏化剂的存在具有调控NM冲击发光特征和能量释放模式的作用；（2）分别针对未压缩样品拉曼峰、压缩样品拉曼峰、光纤散射拉曼、热辐射等连续背景给出了定量描述，构建优化拟合模型，建立冲击瞬态光谱的精密解谱方法；（3）发现在“热爆”孕育早期NM保持完整分子结构但发生结构畸变；发现在孕育“热爆”后期C-N断裂，可能生成活性分子CH3和NO2；发现在“热爆”期间伴随H-H和C=C振动模出现，可能生成中间产物H2和C2；发现在超爆期间伴有N=N和O-H振动模出现，可能生成产物N2和H2O；构建了冲击点火与起爆流场结构模型；（4）在NM晶体中甲基在低压范围内有较明显的转动现象，其晶体的弹性常数以及各力学参数均随着压力的增加而增大，其电子带隙值随着压力的增加而减小，表明NM的撞击感度随着压力增大而升高；发现乙二胺分子掺杂很大程度上改变了NM晶体的电子结构，其能带结构的带隙值为1.419 eV，远小于体相晶体结构的带隙值，对NM具有敏化作用；发现杂质原子和缺陷都将引起电子能隙明显降低，也可能具有调控NM撞击感度值的潜力；发现NM晶体沿不同晶面电子带隙值存在明显差异，认为NM在（111）面的撞击敏感度最高。本项目获得了NM在冲击“热爆”点火反应前后拉曼光谱数据及多种反应产物存在的光谱证据，瞬态拉曼光谱技术的成功应用可能对含能材料及其安全性调控研究产生重大影响，研究工作受到相关领域关注。