郭 偉，曹金樂，常仕民，胡 蓬，吳立志，沈瑞琪，葉迎華

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

半導(dǎo)體激光點(diǎn)火是指利用激光二極管點(diǎn)燃含能材料，相較于橋絲式等電點(diǎn)火，半導(dǎo)體激光點(diǎn)火系統(tǒng)具有更高的點(diǎn)火性能和復(fù)雜電磁場適應(yīng)能力［1-2］。B/KNO3/PF（硼/硝酸鉀/酚醛樹脂）點(diǎn)火藥具有放熱量高、點(diǎn)火能力強(qiáng)和安全鈍感等優(yōu)點(diǎn)［3-6］，美軍標(biāo)將B/KNO3作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中直列式點(diǎn)火系統(tǒng)典型用藥［7-9］，其點(diǎn)火特性和燃燒特性備受國內(nèi)外研究者關(guān)注。

通過調(diào)節(jié)激光脈寬和輸出能量能夠保證點(diǎn)火器正常發(fā)火，在軍事和民用方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值［10-12］。趙興海等［13］指出，激光點(diǎn)火和起爆技術(shù)具有常規(guī)電起爆無可比擬的優(yōu)勢(shì)，但仍然存在諸多待解決的問題，主要集中在激光器的優(yōu)化、光纖傳能技術(shù)的發(fā)展和光路設(shè)計(jì)等方面。嚴(yán)楠等［14］研究了影響激光點(diǎn)火器（B/KNO3裝藥）點(diǎn)火延遲時(shí)間的因素，發(fā)現(xiàn)激光點(diǎn)火器的密封性強(qiáng)度和裝藥密度是影響點(diǎn)火延遲時(shí)間的重要因素；隨著裝藥密度的增加點(diǎn)火器點(diǎn)火延遲時(shí)間呈負(fù)指數(shù)函數(shù)規(guī)律減小，當(dāng)裝藥密度大于1.35 g·cm-3時(shí)點(diǎn)火延遲時(shí)間趨于穩(wěn)定。Sivan J 等［15］對(duì)不同粒度的B/KNO3點(diǎn)火藥的燃燒特性進(jìn)行了研究，利用發(fā)射光譜對(duì)半導(dǎo)體激光器激勵(lì)B/KNO3點(diǎn)火藥發(fā)火過程進(jìn)行分析；發(fā)現(xiàn)BO2是點(diǎn)火過程的主要燃燒產(chǎn)物，但仍然存在BO、BN 等物質(zhì)。蔣明等［16-17］利用多光譜測溫原理測試激光作用下B/KNO3點(diǎn)火藥的點(diǎn)火瞬時(shí)溫度，通過溫度的變化和火焰光信號(hào)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火過程存在二次點(diǎn)火現(xiàn)象，并通過溫度變化特征及時(shí)間分辨光譜信號(hào)分析了兩次點(diǎn)火過程中的不同反應(yīng)機(jī)理。葉迎華等［18］利用高速攝影拍攝B/KNO3藥劑激光點(diǎn)火過程中的二次燃燒現(xiàn)象，并通過反應(yīng)性光聲模型對(duì)點(diǎn)火機(jī)理進(jìn)行分析；發(fā)現(xiàn)第一次燃燒是激光支持的燃燒，而第二次燃燒現(xiàn)象是藥劑的自持燃燒，且只有當(dāng)體系化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量足夠時(shí)，才能形成二次燃燒階段。沈瑞琪等［19］研究不同配比的B/KNO3藥劑的激光點(diǎn)火時(shí)指出其點(diǎn)火過程由激光燒蝕、熱分解化學(xué)反應(yīng)和自持燃燒等階段構(gòu)成，其點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著激光能量的增加線性遞減；發(fā)現(xiàn)B/KNO3（50/50）和B/KNO3/PF（40/50/5）兩種配比的點(diǎn)火藥劑的50%發(fā)火閾值分別為7.6 mJ和4.05 mJ。前人研究B/KNO3點(diǎn)火藥激光點(diǎn)火特性及二次激光點(diǎn)火現(xiàn)象主要是針對(duì)激光輻照開放式藥劑表面發(fā)生的點(diǎn)火啟動(dòng)現(xiàn)象，而在點(diǎn)火器中的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。

為了探索半導(dǎo)體激光器輸出對(duì)激光點(diǎn)火器發(fā)火特性的影響及點(diǎn)火器的二次激光點(diǎn)火現(xiàn)象，本研究結(jié)合微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）集成封裝搭建半導(dǎo)體激光器點(diǎn)火系統(tǒng)，改變輸出激光的能量、脈寬測試了以細(xì)化B/KNO3/PF 為裝藥的點(diǎn)火器發(fā)火性能及點(diǎn)火特性。初步開展了半導(dǎo)體激光點(diǎn)火器的性能測試，以期推動(dòng)激光點(diǎn)火技術(shù)的發(fā)展及進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)直列式半導(dǎo)體激光點(diǎn)火系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

2.1 半導(dǎo)體激光點(diǎn)火系統(tǒng)

設(shè)計(jì)集成了一種脈寬可調(diào)式小型化半導(dǎo)體激光點(diǎn)火系統(tǒng)，激光點(diǎn)火系統(tǒng)由集成模塊、光纖、脈寬調(diào)節(jié)器、恒壓源等組成，半導(dǎo)體激光點(diǎn)火系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。集成模塊輸出的脈沖激光經(jīng)過耦合進(jìn)入傳能光纖，在傳能光纖末端再將激光耦合至點(diǎn)火器內(nèi)部自聚焦透鏡表面；經(jīng)過自聚焦透鏡聚焦作用將脈沖激光聚焦到B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥劑表面；當(dāng)激光到達(dá)點(diǎn)火藥劑表面時(shí)，藥劑迅速吸收激光能量并發(fā)生燒蝕，同時(shí)藥劑表面溫度迅速升高形成熱點(diǎn)并達(dá)到B/KNO3/PF 著火溫度，點(diǎn)火藥劑在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)火形成劇烈燃燒并產(chǎn)生高溫高壓氣體產(chǎn)物，最終點(diǎn)燃下級(jí)裝藥。

圖1 激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the laser ignition system

圖2 激光點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Physical map of the laser ignition system

圖3 半導(dǎo)體激光器集成模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of the semiconductor module laser

圖2 為激光點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)物圖，其中集成模塊（150 mm×130 mm×50 mm）包括光開關(guān)、激光模塊、光電二極管、控制電路和散熱片等部分組成，集成模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。激光點(diǎn)火系統(tǒng)具有光路隔斷安全保險(xiǎn)功能，并且結(jié)合半導(dǎo)體激光和MEMS集成封裝技術(shù)有效降低了激光模塊的體積。半導(dǎo)體激光點(diǎn)火模塊通過光開關(guān)控制光路系統(tǒng)的通斷作為光學(xué)保險(xiǎn)，控制電路將恒壓源輸入的恒定電壓轉(zhuǎn)變成激光模塊需要的恒流源，同時(shí)通過調(diào)節(jié)恒壓源輸入的電壓來調(diào)節(jié)集成模塊輸出的激光能量，并且在電路上實(shí)現(xiàn)流經(jīng)激光模塊的電流控制、電流的通斷和安全保護(hù)；控制電路中設(shè)置了延遲啟動(dòng)電路和靜電釋放電路，防止通電時(shí)電源浪涌或環(huán)境靜電損壞激光二極管。光纖作為激光能量傳輸?shù)妮d體，在激光點(diǎn)火系統(tǒng)中具有重要的作用，本文激光傳輸光纖選用大功率石英光纖（NA=0.22，芯徑105 μm）。激光點(diǎn)火系統(tǒng)采用雙波長方式：在發(fā)火前利用檢測激光（650 nm，1 mW）信號(hào)對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測，確保光路系統(tǒng)的暢通，之后使用另一波長（808 nm，2.5 W）激光脈沖進(jìn)行點(diǎn)火。表1為半導(dǎo)體激光模塊在不同脈寬激光模式下工作電壓和輸出能量之間的關(guān)系。激光能量通過熱表面激光脈沖能量計(jì)（Ophir，Model 30A）進(jìn)行測試，光纖輸出端面貼近能量計(jì)感應(yīng)區(qū)域，當(dāng)激光輸出輻照到感應(yīng)區(qū)域時(shí)，能量計(jì)的熱感元件將激光能量轉(zhuǎn)換為熱能并記錄，最終以能量的形式在顯示器上輸出示數(shù)，每個(gè)能量點(diǎn)下測試五發(fā)，然后取平均值得到激光能量。

表1 半導(dǎo)體激光模塊工作電壓所對(duì)應(yīng)的輸出能量Table 1 The energy of the semiconductor laser at different voltages

2.2 激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)

激光點(diǎn)火器光入射端口采用光學(xué)窗口結(jié)構(gòu)（光窗式）設(shè)計(jì)，圖4 為激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖。壓藥前使用單組分室溫固化有機(jī)硅膠（DOW CORNING，3145RTV）將光學(xué)窗口密封進(jìn)激光點(diǎn)火器的殼體內(nèi)部，然后進(jìn)行壓藥，激光點(diǎn)火器壓藥完成后末端未經(jīng)蓋片密封。光學(xué)窗口選用表面鍍有一層TiO2薄膜的自聚焦透鏡，其材料為具有良好絕熱作用的K9 玻璃；自聚焦透鏡能有效減少光斑的發(fā)散，起到提高激光換能效率的作用。當(dāng)點(diǎn)火系統(tǒng)作用時(shí)，激光通過光纖、光學(xué)窗口傳輸作用到藥劑表面點(diǎn)燃藥劑，整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)。光窗起到了阻擋點(diǎn)火藥劑的作用，防止高溫高壓燃燒產(chǎn)物對(duì)光纖造成損傷。

圖4 激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of the laser igniter

2.3 B/KNO3/PF藥劑的性能表征

藥劑的性能對(duì)激光點(diǎn)火器的發(fā)火性能和點(diǎn)火特性有顯著影響，因此在點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)當(dāng)對(duì)裝填的藥劑進(jìn)行表征和分析測試。為了對(duì)藥劑顆粒及混合情況進(jìn)行表征，使用場發(fā)射電子掃描顯微鏡（FESEM，S-4800 II）對(duì)藥劑進(jìn)行SEM 圖像分析和EDS mapping 能譜分析。使用耐馳同步熱分析儀STA449C（DSC，NETZSCH STA 449 C）對(duì) B/KNO3/PF 藥劑進(jìn)行 TG-DSC 同步熱分析。分別利用激光反射率光譜儀（AvaSpec-NIR256-1.7）和 ICCD 光譜儀（DH720-18F-03）測試壓裝藥柱的激光反射率和等離子體發(fā)射光譜。實(shí)驗(yàn)使用微米級(jí)B 粉和360 目篩下的KNO3粉末以及酚醛樹脂粘合劑，質(zhì)量配比為 38.1∶57.1∶4.8。B/KNO3/PF 藥劑顏色均勻，呈深褐色末狀，與硼粉顏色一致；對(duì)藥劑進(jìn)行噴金處理增加其導(dǎo)電性后拍攝的藥劑形貌圖像和相關(guān)的粒徑分布如圖5a 和圖5b 所示，從藥劑EDS mapping 能譜元素分布可以發(fā)現(xiàn) B/KNO3/PF 藥劑中C、N、O、K 的元素分布映射證實(shí)了KNO3和PF 混合的較為均勻；從各組分SEM 照片中發(fā)現(xiàn)B 粉顆粒在藥劑中的分布相對(duì)均勻，藥劑的包覆情況良好，SEM 圖像中B/KNO3/PF藥劑相對(duì)應(yīng)的平均粒徑尺寸為6.97 μm。B/KNO3/PF藥劑混合均勻后置于50 ℃烘箱內(nèi)干燥備用。

圖7為B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥在N2惰性氣體下的TGDSC 曲線，分析DSC 曲線可以發(fā)現(xiàn)B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥在463.1 ℃有一個(gè)明顯的放熱峰，放熱量為2670 J·g-1。放熱峰出現(xiàn)之前的139.9，333.7，362.1 ℃處有三個(gè)KNO3的吸熱峰，其中在139.9 ℃左右有一個(gè)較小的吸熱峰為KNO3晶格發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度，在333.7 ℃左右較強(qiáng)的吸熱峰處KNO3開始熔化，而362.1 ℃左右的吸收峰為KNO3開始逐步分解。對(duì)TG 曲線分析發(fā)現(xiàn)放熱反應(yīng)發(fā)生之前，隨著溫度的升高B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥緩慢分解，質(zhì)量損失約為4.36%；當(dāng)溫度（起始反應(yīng)溫度）超過385 ℃時(shí)，B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥開始發(fā)生劇烈的分解反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)反應(yīng)基本結(jié)束，其質(zhì)量損失達(dá)到19.82%。對(duì)比葉迎華等［10］的研究可以發(fā)現(xiàn)更高PF 質(zhì)量比和更細(xì)顆粒的B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥具有更低的起始反應(yīng)溫度和更高的放熱量；因此降低了藥劑的起始反應(yīng)溫度，同時(shí)提高了藥劑的化學(xué)反應(yīng)放熱量。

圖8所示為 B/KNO3/PF藥劑在 400～1700 nm 波長激光的反射率，從圖8 可以看出藥劑的激光反射率隨著激光波長的增加先減小然后緩慢增加；在波長500 nm 左右有最小的激光反射率約為8%，當(dāng)激光波長為808 nm時(shí)，其激光反射率為19.2%；當(dāng)激光波長大于900 nm時(shí)，藥劑的激光反射率為20%～25%，且隨著激光波長的增加緩慢增加。通過激光反射率數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)藥劑對(duì)激光的吸收率在75%以上，說明B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥能充分吸收并利用激光器輸出的能量。圖9 所示為B/KNO3/PF 藥劑在21.7 mJ（1064 nm，10 ns）能量下的激光誘導(dǎo)擊穿光譜，此時(shí)藥劑表面發(fā)生燒蝕但未形成持續(xù)燃燒。從圖9可以發(fā)現(xiàn)BⅡ378.84 nm，KⅠ508.42 nm，NⅡ391.90 nm，CⅠ351.48 nm、415.83 nm、437.14 nm，CⅡ387.67 nm，OⅡ368.33 nm、397.33 nm 等原子和離子發(fā)射光譜。雖然藥劑測試在開放光路下進(jìn)行，但仍然能夠說明B/KNO3/PF 藥劑在激光作用下具有豐富的受激態(tài)粒子。未能形成持續(xù)燃燒是因?yàn)榧す饷}寬太短，小于藥劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間，這時(shí)藥劑吸收的能量并未達(dá)到藥劑的發(fā)火閾值。分析光譜數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)B、N、O 元素的基態(tài)物質(zhì)在發(fā)射譜線中沒有被觀測到，一些組分的發(fā)射光譜譜線區(qū)間可能在測量區(qū)間之外［20］。通過分析光譜曲線可以推測B/KNO3/PF 藥劑的某些反應(yīng)歷程。藥劑由三種機(jī)械混合的組分組成，假設(shè)三種組分是分開的，于是推測三種組分的解離過程如下：

圖5 B/KNO3/PF，B，KNO3，PF 掃描電鏡及 B/KNO3/PF 能譜照片F(xiàn)ig.5 Elemental mapping of B/KNO3/PF and SEM images of B/KNO3/PF，B，KNO3，PF

圖6 B/KNO3/PF 藥劑的粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of the B/KNO3/PF

圖7 B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥 TG-DSC 曲線（升溫速率 10 ℃·min-1，N2流量 20 mL·min-1）Fig.7 TG-DSC curves of the B/KNO3/PF（heat rate：10 ℃·min-1，N2 flow：20 mL·min-1）

B 的解離包括：

KNO3的解離包括：

PF 的解離包括：

B/KNO3/PF在激光作用下反應(yīng)非常迅速，反應(yīng)過程十分復(fù)雜；使用儀器的分辨率還有待提高，部分離子未被檢測到，上述反應(yīng)機(jī)理還有待其他技術(shù)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖8 B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥激光反射率曲線Fig.8 The laser reflectivity curve of the B/KNO3/PF

圖9 B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥的激光誘導(dǎo)擊穿光譜Fig.9 The laser induced breakdown spectroscopy of the B/KNO3/PF

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 B/KNO3/PF 藥劑在不同脈寬激光下的感度

使用D 最優(yōu)化法測試不同脈寬激光作用下B/KNO3/PF點(diǎn)火器的發(fā)火感度。將制備好的B/KNO3/PF點(diǎn)火藥壓裝在激光點(diǎn)火器藥室內(nèi)，使用60 MPa 壓力將 B/KNO3/PF 藥劑 壓裝成 1.36～1.42 g·cm-3的 藥 柱（Φ5.0 mm×H7.2 mm）。調(diào)節(jié)激光脈寬為 2，5 ms 和10 ms 時(shí)對(duì)裝有B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥的激光點(diǎn)火器進(jìn)行50%發(fā)火電壓試驗(yàn)，其D 最優(yōu)化法試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。使用D 最優(yōu)化法計(jì)算得到5 ms 激光脈寬時(shí)X50，5ms=1323.8 mV，σ=4.86 mV，對(duì)應(yīng)激光能量為6.23mJ，B/KNO3/PF 激光點(diǎn)火器的最小全發(fā)火電壓約1338.8 mV，最大不發(fā)火電壓約 1308.7 mV；10 ms 激光脈寬時(shí)X50，10ms=1326.7 mV，σ=6.8mV，對(duì)應(yīng)激光能量為12.54 mJ，B/KNO3/PF 激光點(diǎn)火器的最小全發(fā)火電壓約1347.8 mV，最大不發(fā)火電壓約1305.5 mV；而當(dāng)激光脈寬為2 ms 時(shí)激光能量達(dá)到4.64 mJ 時(shí)點(diǎn)火系統(tǒng)無法使B/KNO3/PF 點(diǎn)火器正常發(fā)火，此時(shí)的能量4.64 mJ 小于5 ms 脈寬激光最小發(fā)火能量6.23 mJ，點(diǎn)火器啟動(dòng)失效主要是由于激光能量太小所致。

對(duì)不發(fā)火的實(shí)驗(yàn)樣品內(nèi)表面進(jìn)行檢測分析，發(fā)現(xiàn)靠近自聚焦透鏡端面的B/KNO3/PF 藥劑表面部分已發(fā)生燒蝕；如圖10 所示為激光激勵(lì)下未發(fā)火的激光點(diǎn)火器內(nèi)部藥劑表面的燒蝕形貌，從圖10 可以發(fā)現(xiàn)藥劑表面形成類似圓形的燒蝕凹坑，凹坑中心區(qū)域呈黑色，這是激光光斑直接輻照燒蝕所造成的；在黑色圓形區(qū)域外圍存在一圈藥劑反應(yīng)形成的圓環(huán)，這是由于B/KNO3/PF 在激光燒蝕下向四周分解擴(kuò)散形成的區(qū)域。B/KNO3/PF 在激光作用下的點(diǎn)火機(jī)理屬于熱點(diǎn)火機(jī)理［17］。此時(shí)被燒蝕部分發(fā)生熱分解反應(yīng)，但光熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量不足以使藥劑達(dá)到著火溫度，無法形成化學(xué)自持燃燒現(xiàn)象，因而造成點(diǎn)火器點(diǎn)火啟動(dòng)的失效。從發(fā)火感度測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5 ms 和10 ms 脈寬激光能成功點(diǎn)火激光點(diǎn)火器，激光能量分別為6.23 mJ 和12.54 mJ；而激光點(diǎn)火系統(tǒng)中2 ms 脈寬的激光不能成功點(diǎn)火激光點(diǎn)火器。這與半導(dǎo)體激光脈沖能量輸出特性有關(guān)，工作狀態(tài)下半導(dǎo)體激光器在脈寬持續(xù)時(shí)間內(nèi)輸出一個(gè)連續(xù)等值的激光，也就是在脈寬持續(xù)時(shí)間內(nèi)任意兩個(gè)時(shí)刻輸出的激光功率是相等的。在較短脈沖激光輻照下，B/KNO3/PF 藥劑表面被激光燒蝕，藥劑表面被輻照部分發(fā)生燒蝕分解反應(yīng)，形成豐富的受激態(tài)粒子。但由于此時(shí)激光脈寬較短，脈寬小于藥劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間，藥劑表面吸收的激光輻照能量未達(dá)到B/KNO3/PF 的發(fā)火閾值，發(fā)生燒蝕的藥量很少，無法形成足夠的壓力將熱分解產(chǎn)物從藥劑內(nèi)端面噴射出點(diǎn)火器，也無法形成足夠的溫度使藥劑發(fā)生持續(xù)的熱分解反應(yīng)，從而造成B/KNO3/PF 激光點(diǎn)火器點(diǎn)火失效現(xiàn)象的發(fā)生。在5，10 ms 脈寬下50%點(diǎn)火感度試驗(yàn)時(shí)也有瞎火，其能量大于2 ms 脈寬瞎火的能量，但其輸入能量仍然不足以使得點(diǎn)火器啟動(dòng)。

3.2 B/K N O 3/P F 藥劑的在半導(dǎo)體激光輻照下的點(diǎn)火延遲時(shí)間

半導(dǎo)體激光點(diǎn)燃B/KNO3/PF 點(diǎn)火器延遲時(shí)間是通過檢測示波器記錄脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電信號(hào)和光電傳感器接收的藥劑火焰光信號(hào)之間的時(shí)間差的方法進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)使用LeCroy 44MXs 型示波器記錄信號(hào)。圖11 為不同激光脈寬作用下典型的點(diǎn)火延遲時(shí)間波形圖。光信號(hào)與電信號(hào)的時(shí)間差即為B/KNO3/PF 點(diǎn)火器的點(diǎn)火延遲時(shí)間。從圖11 可以發(fā)現(xiàn)，火焰光信號(hào)分為兩個(gè)階段：一次點(diǎn)火和二次點(diǎn)火，光電傳感器在一次點(diǎn)火階段接收到短而尖的火焰光信號(hào)，在二次點(diǎn)火階段接收到較長持續(xù)時(shí)間的藥劑燃燒火焰光信號(hào)。圖中脈沖發(fā)生器的輸出電信號(hào)呈脈沖的方波信號(hào)，其寬度與激光點(diǎn)火系統(tǒng)輸出的脈沖激光脈寬相等。通過分析光、電信號(hào)可以得到不同激光脈寬激勵(lì)B/KNO3/PF 激光點(diǎn)火器延遲時(shí)間，如表3 所示。從表3 可以發(fā)現(xiàn)，5 ms 脈寬激光激勵(lì)B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥時(shí)一次點(diǎn)火階段開始于脈寬持續(xù)3.66～4.69 ms，二次點(diǎn)火階段開始于脈寬輸出7.23～8.08 ms；10 ms脈寬激光激勵(lì) B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥時(shí)一次點(diǎn)火階段開始于脈寬持續(xù)3.50～4.13 ms，二次點(diǎn)火階段開始于脈寬持續(xù)7.35～8.04 ms 處。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)激光脈寬對(duì)點(diǎn)火器點(diǎn)火有顯著影響，當(dāng)激光脈寬接近或者大于藥劑一次點(diǎn)火延遲時(shí)間時(shí)，激光只需要實(shí)現(xiàn)藥劑的一次點(diǎn)火便可以成功啟動(dòng)點(diǎn)火器。

表2 不同脈寬激光激勵(lì)B/KNO3/PF 激光點(diǎn)火器發(fā)火試驗(yàn)（0：未發(fā)火，1：發(fā)火）Table 2 Ignition of B/KNO3/PF laser igniter excited by laser with different pulse（0：failure，1：succeed）

圖10 未發(fā)火的B/KNO3/PF 藥劑表面照片F(xiàn)ig.10 Surface photo of unfired B/KNO3/PF igniter

圖11 不同脈寬激光作用下典型的脈沖電信號(hào)和火焰光信號(hào)波形圖Fig.11 Typical pulse and flame signal

表3 不同脈寬激光激勵(lì)B/KNO3/PF 激光點(diǎn)火器點(diǎn)火延遲時(shí)間Table 3 Ignition delay of B/KNO3/PF laser igniter by laser with different pulse

3.3 B/K N O 3/P F 藥劑在半導(dǎo)體激光輻照下的火焰燃燒持續(xù)時(shí)間

采用高速攝影記錄火焰燃燒形貌的方法測試激光點(diǎn)火器輸出端面B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥火焰燃燒持續(xù)時(shí)間。使用HG-100K 型高速攝影在2000 fps 頻率下拍攝藥劑燃燒火焰形貌。圖12 為不同脈寬激光激勵(lì)B/KNO3/PF 激光點(diǎn)火器發(fā)火的高速攝影圖像。從圖12可以發(fā)現(xiàn)激光點(diǎn)火器發(fā)火過程分為兩個(gè)階段，分別為一次點(diǎn)火和二次點(diǎn)火過程，點(diǎn)火器火焰在兩個(gè)階段之間存在明顯的間斷，這與示波器采集的火焰光信號(hào)相吻合。當(dāng)脈寬激光輸出時(shí)部分藥劑形成短時(shí)間非自持燃燒的一次點(diǎn)火現(xiàn)象，這是激光支持的燃燒現(xiàn)象，由于一次點(diǎn)火火焰變?nèi)跸绮荒艹掷m(xù)燃燒，出現(xiàn)1～3 ms 的火焰熄滅區(qū)間；而后點(diǎn)火藥劑完全燃燒至藥劑燃盡熄滅形成二次點(diǎn)火現(xiàn)象。這表明不僅在開放狀態(tài)下激光點(diǎn)火具有二次燃燒現(xiàn)象［17-18，21］，而且在密封壓裝好的激光點(diǎn)火器輸出端（如圖13 所示點(diǎn)火器輸出端口）也存在明顯的二次點(diǎn)火現(xiàn)象。從圖12 中還可以發(fā)現(xiàn)二次點(diǎn)火時(shí)在火焰邊緣有綠色火焰產(chǎn)生，這是由B（中間產(chǎn)物BO2）［22］燃燒引起的。因?yàn)榫G色的火焰較小，所以它幾乎被覆蓋；只有在二次點(diǎn)火中藥劑充分燃燒時(shí)，才能看到綠色火焰，說明此時(shí)B 開始參與反應(yīng)并放出熱量；而在一次點(diǎn)火中B 并沒有充分反應(yīng)［16］。此外，在燃燒過程中觀察到飛濺的小火花，這是由于部分未完全燃燒的固體顆粒噴射造成的。

由于激光輻照到藥劑表面時(shí)，藥劑吸收激光能量溫度升高，藥劑局部有較大的熱量積聚，發(fā)生熱分解反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓燃燒氣體，此時(shí)B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥發(fā)生凝聚相化學(xué)反應(yīng)。由于藥劑發(fā)生反應(yīng)的部分位于激光點(diǎn)火器內(nèi)部端面，高溫高壓燃燒產(chǎn)物不能及時(shí)泄放，在點(diǎn)火器內(nèi)形成巨大的沖擊壓力，藥劑中間部分顆粒被沖擊飛濺噴出點(diǎn)火器并發(fā)生燃燒，于是在點(diǎn)火器輸出端面拍攝到燃燒的火焰，此時(shí)是激光支持的燃燒反應(yīng)，燃燒的成長并未達(dá)到充分反應(yīng)的程度。燃燒火焰的熱量在飛濺的藥劑內(nèi)迅速向周圍熱輻射，被未燃燒的固體藥劑吸收，加上高溫高壓燃燒產(chǎn)物噴出造成壓力的泄放帶走了部分熱量，而熱分解反應(yīng)積累的熱量還不足以維持化學(xué)燃燒現(xiàn)象的持續(xù)發(fā)生，于是出現(xiàn)溫度急劇下降和火焰變?nèi)跸绲默F(xiàn)象，形成了一次點(diǎn)火階段的特征火焰，如圖13a 所示。

圖12 激光點(diǎn)火器輸出端面點(diǎn)火過程高速攝影Fig.12 High-speed photography of laser ignition process

圖13 激光點(diǎn)火器輸出端面兩次點(diǎn)火過程示意圖Fig.13 Schematic diagram of two laser ignition processes

一次點(diǎn)火火焰熄滅時(shí)脈寬激光輻照仍在繼續(xù)且藥劑熱分解反應(yīng)不斷積累熱量，未反應(yīng)的藥劑持續(xù)吸收能量并發(fā)生熱分解反應(yīng)；隨著時(shí)間的推移，藥劑的熱分解反應(yīng)迅速積累大量熱量，當(dāng)這個(gè)過程對(duì)附近物質(zhì)的加熱積累到一定程度時(shí)，在藥劑表面和內(nèi)部發(fā)生快速凝聚相和氣相化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)了第二次點(diǎn)火并出現(xiàn)不可逆的化學(xué)燃燒，此時(shí)B 發(fā)生完全反應(yīng)并放出熱量。藥劑顆粒在點(diǎn)火器藥室內(nèi)發(fā)生燃燒，部分藥劑顆粒噴出點(diǎn)火器外部在空間邊飛行、邊氣化、邊分解加速燃燒反應(yīng)形成燃燒火焰，點(diǎn)火藥劑發(fā)生完全燃燒并產(chǎn)生高溫高壓燃燒產(chǎn)物輸出做功，燃燒火焰也逐步擴(kuò)大、變亮，形成二次點(diǎn)火階段的特征火焰，如圖13b 所示。

表4 為不同脈寬激光激勵(lì)B/KNO3/PF 點(diǎn)火器火焰燃燒持續(xù)時(shí)間。從表4 可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)火焰燃燒持續(xù)時(shí)間范圍為58～83.5 ms。從點(diǎn)火器啟動(dòng)發(fā)火和火焰燃燒情況分析發(fā)現(xiàn)，激光只需要實(shí)現(xiàn)藥劑的一次點(diǎn)火便可以成功啟動(dòng)點(diǎn)火器；而點(diǎn)火器二次點(diǎn)火出現(xiàn)之前存在1～3 ms 的火焰熄滅區(qū)間，二次點(diǎn)火現(xiàn)象的出現(xiàn)推遲了激光點(diǎn)火器的有效輸出時(shí)間，增加了點(diǎn)火器的做功延遲時(shí)間，這不利于點(diǎn)火器的快速輸出響應(yīng)；同時(shí)，一次點(diǎn)火的火焰和噴出的藥劑顆?？赡軙?huì)對(duì)下級(jí)裝藥造成不可逆的影響，從而造成裝置的整體失效。為了避免二次點(diǎn)火現(xiàn)象的出現(xiàn)，首先需要控制裝藥使用的壓力、藥量以及裝藥尺寸，這會(huì)在一定程度上避免如圖13a 所示藥劑從中間噴出的現(xiàn)象；其次也是最重要的是增加輸出端藥劑蓋片厚度，增大蓋片破膜壓力，讓藥劑在破膜前燃燒成長達(dá)到充分反應(yīng)的程度，然后才噴出點(diǎn)火器，以達(dá)到避免二次點(diǎn)火現(xiàn)象出現(xiàn)的目的。

表4 不同脈寬激光激勵(lì)B/KNO3/PF 激光點(diǎn)火器火焰持續(xù)時(shí)間Table 4 Flame duration of B/KNO3/PF laser igniter by laser with different pulse

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)制備了一種以B/KNO3/PF 為點(diǎn)火藥的半導(dǎo)體激光點(diǎn)火器，通過實(shí)驗(yàn)室搭建具有安保裝置脈寬可調(diào)節(jié)的激光點(diǎn)火系統(tǒng)研究了點(diǎn)火器發(fā)火性能及點(diǎn)火特性，主要結(jié)論如下：

（1）制備的微米級(jí)B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥劑顆粒平均粒徑為6.97 μm，混合均勻；藥劑的DSC 分析發(fā)現(xiàn)在463.1 ℃有一個(gè)明顯的放熱峰，放熱量為2670 J·g-1。藥劑對(duì)400～1700 nm 的激光的吸收率在75%以上；當(dāng)激光波長為808 nm 時(shí)，藥劑的激光反射率為19.2%，說明B/KNO3/PF 點(diǎn)火藥能充分吸收并利用激光器輸出的能量。

（2）當(dāng)激光脈寬為5 ms 和10 ms 時(shí)，點(diǎn)火器50%發(fā)火能量分別為6.23 mJ 和12.54 mJ，一次點(diǎn)火延遲時(shí)間為3.50～4.69 ms，二次點(diǎn)火延遲時(shí)間為7.23～8.08 ms，火焰持續(xù)時(shí)間為58～83.5 ms。當(dāng)激光脈寬為2 ms 時(shí)激光能量達(dá)到4.64 mJ 時(shí)點(diǎn)火系統(tǒng)無法使B/KNO3/PF 點(diǎn)火器正常發(fā)火。當(dāng)激光脈寬和藥劑點(diǎn)火延時(shí)時(shí)間相近時(shí)，激光脈寬對(duì)點(diǎn)火延時(shí)時(shí)間和火焰達(dá)到自持燃燒的快慢有顯著影響。而較小脈寬的激光輸出的能量較小，形成熱點(diǎn)的能量不足以支持藥劑分解反應(yīng)達(dá)到自持燃燒反應(yīng)階段，造成點(diǎn)火啟動(dòng)的失敗。

（3）激光點(diǎn)火器發(fā)火過程分為一次點(diǎn)火和二次點(diǎn)火兩個(gè)階段，在兩個(gè)階段之間出現(xiàn)1～3 ms 的火焰熄滅區(qū)間，點(diǎn)火器在二次點(diǎn)火階段產(chǎn)生猛烈的火焰并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火能量輸出。