王智，彭亞晶，趙雨新，賓耀銘

(渤海大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

1 引言

近紅外激光二極管具有體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，可滿足激光點(diǎn)火技術(shù)在武器裝備中的應(yīng)用需求[1]。然而，含能材料在近紅外波段的光吸收性能較差，不易實(shí)現(xiàn)近紅外激光點(diǎn)火。納米金屬粒子由于具有表面等離共振的特性，已經(jīng)被廣泛用作含能材料中的光敏劑，以改善含能材料的光熱性質(zhì)及其激光點(diǎn)火性能。金納米粒子由于具有大光吸收截面、表面效應(yīng)及光譜選擇性等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的含能材料添加劑。相比于Al等金屬，金表面不易被氧化，可較好吸收激光能量。當(dāng)激光點(diǎn)火納米金復(fù)合炸藥時(shí)，在納米粒子與炸藥接觸面周圍將產(chǎn)生一個(gè)大的局域電場(chǎng)，即局域表面等離激元共振效應(yīng)(LSPR)[2-4]。由于激光輻射耦合到LSPR中，或者導(dǎo)帶電子的集體共振[5,6]，當(dāng)LSPR頻率帶與激光頻率接近時(shí)，納米粒子就會(huì)強(qiáng)烈地吸收激光并有效地將吸收能量轉(zhuǎn)換成熱能。因此，炸藥的點(diǎn)火能力在此特定的激光波長(zhǎng)下達(dá)到了最優(yōu)化。等離子共振吸收特性顯著地依賴于納米粒子的尺寸和密度[7]，且可通過調(diào)節(jié)納米粒子的尺寸來改變最佳光吸收波長(zhǎng)去增強(qiáng)激光點(diǎn)火性能和波長(zhǎng)選擇性。因此，通過摻雜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)含能材料的近紅外激光點(diǎn)火，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火激光器小型化并降低成本[8]。然而，對(duì)于納米金復(fù)合炸藥的近紅外激光點(diǎn)火能力如何還不清楚，納米金粒子的摻雜方式對(duì)點(diǎn)火能力是很重要的，它應(yīng)設(shè)計(jì)滿足在點(diǎn)火過程最大程度地吸收激光熱量，并把熱量傳遞給炸藥，以降低激光點(diǎn)火閾值。

納米復(fù)合含能材料根據(jù)合成方式不同，主要有三種結(jié)構(gòu)[8-10]：金屬核炸藥殼型納米復(fù)合粒子，炸藥核金屬殼納米復(fù)合粒子，納米級(jí)金屬顆粒與含能顆粒均勻混合的納米粒子。實(shí)驗(yàn)通常所用的近紅外激光波長(zhǎng)約800 nm左右。因此，根據(jù)紅外激光波長(zhǎng)，如何選擇納米復(fù)合含能粒子的結(jié)構(gòu)和尺寸，對(duì)降低激光點(diǎn)火閾值有著重要的作用。

本文對(duì)實(shí)驗(yàn)上制備的上述三種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米含能粒子的近紅外光吸收特性進(jìn)行了分析，利用離散偶極近似方法計(jì)算了復(fù)合粒子不同核殼比及在不同介質(zhì)環(huán)境下(空氣和水)發(fā)生表面等離共振現(xiàn)象的吸收光譜。給出了與近紅外激光波長(zhǎng)相匹配的最佳復(fù)合納米粒子的尺寸參數(shù)，為近紅外激光點(diǎn)火中納米金屬炸藥的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供必要的參數(shù)。

2 計(jì)算方法

離散偶極近似理論(DDA)[11]近年來被發(fā)展成為一種原則上可對(duì)任意形狀及尺寸的金屬納米粒子的吸收、散射及消光性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算的新方法[12]，它與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的紫外-可見吸收光譜相結(jié)合，已成為目前認(rèn)識(shí)納米粒子的光學(xué)性質(zhì)的重要手段。DDA方法是用離散的N個(gè)點(diǎn)偶極子組合來代替連續(xù)介質(zhì)，將粒子視為N個(gè)可極化點(diǎn)的立方體晶格構(gòu)成的[13]。本文采用離散偶極近似理論方法，利用DDSCAT7.3軟件包構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)及尺寸的納米粒子，并給出相關(guān)粒子的有效半徑、偶極子數(shù)目、粒子隨頻率變化的介電常數(shù)及粒子周圍介質(zhì)的介電常數(shù)等參數(shù)，計(jì)算其近紅外吸收光譜。

3 復(fù)合納米金屬粒子對(duì)近紅外激光的吸收特性分析

3.1 Au-RDX球形核殼納米粒子光吸收特性

DDSCAT構(gòu)建的Au核RDX殼納米粒子的模型如圖1所示，其中，黃色為Au核，藍(lán)色為RDX殼。

圖1 Au-RDX核殼納米粒子模型圖

根據(jù)近紅外激光二極管的輸出波長(zhǎng)(約800 nm)，我們計(jì)算了不同核殼尺寸的Au-RDX納米粒子在空氣中的吸收光譜，尋找最大光吸收情況下的最佳核殼尺寸。

圖2為離散偶極近似計(jì)算獲得的RDX殼尺寸不變，改變Au核的尺寸對(duì)光吸收性質(zhì)的影響。可見，隨著Au核尺寸的增加，吸收強(qiáng)度先增加后減小，吸收峰發(fā)生了紅移。在800 nm激光波長(zhǎng)作用下，當(dāng)Au核半徑為65～70 nm，RDX殼厚度為30 nm左右時(shí)，有最強(qiáng)的光吸收。圖3為具有較大光吸收效率的Au核，在不同RDX殼尺寸下的吸收光譜?？梢姡S著RDX殼尺寸的增加，吸收峰強(qiáng)度也出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)，吸收峰也出現(xiàn)了紅移。當(dāng)核為60 nm時(shí)，RDX殼尺寸應(yīng)在40 nm左右，才能對(duì)800 nm左右的激光有較高的光吸收。

圖2 Au-RDX核殼球形納米粒子在空氣中的核尺寸對(duì)吸收光譜的影響

圖3 Au-RDX核殼球形納米粒子在空氣中的殼尺寸對(duì)吸收光譜的影響

由于光聲效應(yīng)實(shí)驗(yàn)基本在水下進(jìn)行[14,15]，因此本文也分析了復(fù)合納米粒子在水中的光吸收特性。計(jì)算的復(fù)合納米粒子在水中的吸收光譜如圖 4和圖 5所示。圖4為半徑60 nm的金核和不同尺寸的RDX殼納米粒子的吸收光譜?？梢姡瑢?duì)于相同尺寸的納米粒子，在水中的吸收峰比空氣中的吸收峰要紅移。這是因?yàn)榧{米粒子的光吸收峰波長(zhǎng)與周圍介質(zhì)介電常數(shù)之間滿足如下關(guān)系[16]：

圖4 Au-RDX核殼球形納米粒子在水中的核尺寸對(duì)吸收光譜的影響

(1)

其中，c為周圍介質(zhì)的濃度，ωp為納米金屬的本征等離子體共振頻率，εm為周圍介質(zhì)介電常數(shù)。由于水的介電常數(shù)比空氣的介電常數(shù)大，因此核殼納米粒子光吸收峰波長(zhǎng)將變大，即出現(xiàn)紅移。此外，隨著RDX殼厚度的增加，吸收峰也會(huì)發(fā)生紅移。對(duì)于800 nm左右的激光，當(dāng)納米粒子的核殼尺寸為20～60 nm時(shí)具有較高的光吸收。圖5為RDX殼尺寸保持30 nm不變，改變核的尺寸對(duì)吸收光譜的影響?？梢?，隨著核的尺寸的增加，吸收峰也會(huì)發(fā)生紅移。當(dāng)核殼尺寸在30～55 nm范圍時(shí)，對(duì)于波長(zhǎng)為800 nm激光有較強(qiáng)的光吸收。

圖5 Au-RDX核殼球形納米粒子在水中的殼尺寸對(duì)吸收光譜的影響

3.2 Au-RDX-Au-RDX球形納米粒子光吸收特性分析

當(dāng)Au和RDX顆粒均勻混合成球形納米粒子時(shí)，可形成如圖6(a)所示的結(jié)構(gòu)[10]。為了方便計(jì)算，采用兩種物質(zhì)以球殼形式均勻相間(Au-RDX-Au-RDX)的等效模型結(jié)構(gòu)模，如圖6(b)所示，相應(yīng)的計(jì)算模型如圖6(c)所示。

圖6 (a)實(shí)驗(yàn)制備出的均勻混合的球形納米粒子；(b)為計(jì)算用的兩種物質(zhì)均勻相間的等效模型;(c)構(gòu)建的計(jì)算模型

圖7和圖8分別為離散偶極近似計(jì)算獲得的不同尺寸的Au-RDX-Au-RDX球形納米粒子在空氣和水中的吸收光譜?？梢?，當(dāng)彼此均勻混合成尺寸為110 nm(金和RDX的厚度分別為28-28-28-28 nm)左右的球形粒子時(shí)，其在空氣環(huán)境中對(duì)800 nm激光波長(zhǎng)有較大的光吸收。而當(dāng)彼此均勻混合成尺寸為90 nm(23-23-23-23 nm)左右的球形納米粒子時(shí)，其在水環(huán)境中對(duì)800 nm激光波長(zhǎng)具有較大的光吸收。

圖7 Au-RDX-Au-RDX均勻混合球形納米粒子在空氣中的吸收光譜

圖8 Au-RDX-Au-RDX均勻混合球形納米粒子在水中的吸收光譜

3.3 RDX-Au納米粒子光吸收特性分析

當(dāng)制備為納米級(jí)RDX核Au殼的球形粒子時(shí)，構(gòu)建如圖9所示的離散模型，計(jì)算其在空氣和水中的吸收光譜如圖10和圖11所示?？梢姡摻Y(jié)構(gòu)若實(shí)現(xiàn)在800 nm波長(zhǎng)附近具有較高的光吸收，則其核殼尺寸大概在300 nm和70～80 nm左右。

圖9 構(gòu)建的RDX核Au殼的球形粒子模型

圖10 RDX-Au球形核殼粒子在空氣中的吸收光譜

圖11 RDX-Au球形核殼粒子在水中的吸收光譜

以上計(jì)算的關(guān)于Au和RDX復(fù)合炸藥粒子，其在不同結(jié)構(gòu)、尺寸以及環(huán)境中的光吸收情況如表1所示?？梢姡?dāng)制備成納米級(jí)Au核RDX殼球形粒子時(shí)，其在800 nm波長(zhǎng)附近具有較高的光吸收，相應(yīng)的核殼尺寸分別約為60 nm和20 nm左右，且在水中的吸收要比在空氣中的吸收強(qiáng)。

表1 復(fù)合納米粒子光吸收情況

4 結(jié)論

本文利用離散偶極近似法(DDA)模擬了不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸的金-RDX復(fù)合納米炸藥在不同環(huán)境介質(zhì)中的近紅外吸收光譜。獲得了對(duì)近紅外光有最佳光吸收的復(fù)合炸藥的有效組合為Au核RDX殼球形納米結(jié)構(gòu)，其光吸收效率可達(dá)到3.2左右，且相應(yīng)的核殼尺寸分別為60 nm和20 nm，并指出了在水環(huán)境介質(zhì)下，該復(fù)合納米炸藥的光吸收性能增強(qiáng)。因此，將該種復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于激光點(diǎn)火中可有效增加對(duì)近紅外激光的吸收，有助于降低激光點(diǎn)火閾值。這對(duì)于納米金復(fù)合炸藥的近紅外激光點(diǎn)火的應(yīng)用提供了必要的支撐信息。