高功率纳秒脉冲激光诱导Al/Ni含能复合材料在超高加热速率(~1012 K/s)下的点火机制与燃烧性能研究

针对Al/Ni含能复合材料因Al2 O3 壳层导致的高点火温度问题，研究人员采用高功率纳秒脉冲激光(~1012 K/s)结合高速纹影系统与LIBS模块，揭示了2Al:3Ni配方最优的AlO发射强度、冲击波扩展速度及金属化CL-20中的早期燃烧性能，为爆炸模拟实验提供新方法学并指导配方优化。

　　

在含能材料领域，铝粉（Al）因其高燃烧热值被广泛用作推进剂和炸药的燃料添加剂，但其表面致密的氧化铝（Al₂
O₃
）壳层导致点火温度高、延迟时间长，严重制约燃烧效率。近年来，通过构建Al/Ni等合金复合材料来突破这一瓶颈成为研究热点，但传统点火方式难以模拟实际爆炸环境中的极端条件。北京理工大学的研究团队创新性地采用高功率纳秒脉冲激光，在实验室实现了~10¹²
K/s的超高加热速率，精准复现了宏观爆炸场景，相关成果发表于《Applied Surface Science》。

研究团队通过自主搭建的实验平台（集成高速纹影系统与激光诱导击穿光谱LIBS模块），对四种不同原子比的Al/Ni复合材料（1Al:1Ni、2Al:3Ni、1Al:2Ni、1Al:3Ni）展开多尺度分析。关键技术包括：1）Y型混合器制备均匀分散的复合粉末；2）高时空分辨率LIBS定量分析等离子体组分；3）高速纹影捕捉微秒-毫秒级冲击波动力学；4）SEM/EDS表征烧蚀坑形貌与元素分布。

主要研究结果

1. 组分定量与反应动力学
   LIBS分析证实2Al:3Ni样品具有最快的AlO发射峰上升速率（494.4 nm谱线），表明其等离子体中铝氧化反应最剧烈。该配方的冲击波扩展速度也最快，印证了等离子体内放热反应强度与机械效应的正相关性。

2. 自持反应触发机制
   1Al:1Ni和2Al:3Ni样品中观察到激光诱导自持反应（self-sustaining reaction），后者从等离子体到持续燃烧的转变更快。烧蚀坑分析显示，Ni颗粒优先熔化并与空气反应，而Al/Ni放热合金化反应进一步加速初期燃烧。

3. 颗粒喷射特性
   1Al:2Ni的颗粒喷射速度达150 m/s，较1Al:1Ni提升50%，但过高Ni含量（1Al:3Ni）反而抑制反应活性，说明存在最优化学计量比。

4. 金属化CL-20应用
   将2Al:3Ni掺入CL-20炸药时，其早期燃烧性能最佳，火焰传播速度与压力释放效率显著提升，证实该配方在实战化含能材料中的优势。

结论与意义
该研究首次在纳秒级时间尺度解析了Al/Ni复合材料在极端加热条件下的反应路径：激光等离子体引发Ni的优先活化，继而通过Al-Ni合金化放热（形成AlNi、Al₃
Ni₂
等金属间化合物）正反馈促进燃烧。2Al:3Ni配方展现出综合最优的快速点火、持续燃烧和能量释放特性，为高能炸药配方设计提供了定量依据。方法论上，高速纹影-LIBS联用技术突破了传统热分析无法捕捉瞬态过程的局限，Yage He等作者建立的实验体系为含能材料在模拟爆炸条件下的性能评估树立了新标准。