纳米金复合炸药的设计及其近红外光吸收性质研究

王智，彭亚晶，赵雨新，宾耀铭

(渤海大学 物理科学与技术学院，辽宁 锦州 121013)

1 引言

近红外激光二极管具有体积小、质量轻、价格低等优点，可满足激光点火技术在武器装备中的应用需求[1]。然而，含能材料在近红外波段的光吸收性能较差，不易实现近红外激光点火。纳米金属粒子由于具有表面等离共振的特性，已经被广泛用作含能材料中的光敏剂，以改善含能材料的光热性质及其激光点火性能。金纳米粒子由于具有大光吸收截面、表面效应及光谱选择性等优点，是一种理想的含能材料添加剂。相比于Al等金属，金表面不易被氧化，可较好吸收激光能量。当激光点火纳米金复合炸药时，在纳米粒子与炸药接触面周围将产生一个大的局域电场，即局域表面等离激元共振效应(LSPR)[2-4]。由于激光辐射耦合到LSPR中，或者导带电子的集体共振[5,6]，当LSPR频率带与激光频率接近时，纳米粒子就会强烈地吸收激光并有效地将吸收能量转换成热能。因此，炸药的点火能力在此特定的激光波长下达到了最优化。等离子共振吸收特性显著地依赖于纳米粒子的尺寸和密度[7]，且可通过调节纳米粒子的尺寸来改变最佳光吸收波长去增强激光点火性能和波长选择性。因此，通过掺杂技术可以实现含能材料的近红外激光点火，以实现点火激光器小型化并降低成本[8]。然而，对于纳米金复合炸药的近红外激光点火能力如何还不清楚，纳米金粒子的掺杂方式对点火能力是很重要的，它应设计满足在点火过程最大程度地吸收激光热量，并把热量传递给炸药，以降低激光点火阈值。

纳米复合含能材料根据合成方式不同，主要有三种结构[8-10]：金属核炸药壳型纳米复合粒子，炸药核金属壳纳米复合粒子，纳米级金属颗粒与含能颗粒均匀混合的纳米粒子。实验通常所用的近红外激光波长约800 nm左右。因此，根据红外激光波长，如何选择纳米复合含能粒子的结构和尺寸，对降低激光点火阈值有着重要的作用。

本文对实验上制备的上述三种不同结构的复合纳米含能粒子的近红外光吸收特性进行了分析，利用离散偶极近似方法计算了复合粒子不同核壳比及在不同介质环境下(空气和水)发生表面等离共振现象的吸收光谱。给出了与近红外激光波长相匹配的最佳复合纳米粒子的尺寸参数，为近红外激光点火中纳米金属炸药的设计应用提供必要的参数。

2 计算方法

离散偶极近似理论(DDA)[11]近年来被发展成为一种原则上可对任意形状及尺寸的金属纳米粒子的吸收、散射及消光性质进行计算的新方法[12]，它与实验测得的紫外-可见吸收光谱相结合，已成为目前认识纳米粒子的光学性质的重要手段。DDA方法是用离散的N个点偶极子组合来代替连续介质，将粒子视为N个可极化点的立方体晶格构成的[13]。本文采用离散偶极近似理论方法，利用DDSCAT7.3软件包构建不同结构及尺寸的纳米粒子，并给出相关粒子的有效半径、偶极子数目、粒子随频率变化的介电常数及粒子周围介质的介电常数等参数，计算其近红外吸收光谱。

3 复合纳米金属粒子对近红外激光的吸收特性分析

3.1 Au-RDX球形核壳纳米粒子光吸收特性

DDSCAT构建的Au核RDX壳纳米粒子的模型如图1所示，其中，黄色为Au核，蓝色为RDX壳。

图1 Au-RDX核壳纳米粒子模型图

根据近红外激光二极管的输出波长(约800 nm)，我们计算了不同核壳尺寸的Au-RDX纳米粒子在空气中的吸收光谱，寻找最大光吸收情况下的最佳核壳尺寸。

图2为离散偶极近似计算获得的RDX壳尺寸不变，改变Au核的尺寸对光吸收性质的影响。可见，随着Au核尺寸的增加，吸收强度先增加后减小，吸收峰发生了红移。在800 nm激光波长作用下，当Au核半径为65～70 nm，RDX壳厚度为30 nm左右时，有最强的光吸收。图3为具有较大光吸收效率的Au核，在不同RDX壳尺寸下的吸收光谱。可见，随着RDX壳尺寸的增加，吸收峰强度也出现了先增大后减小的趋势，吸收峰也出现了红移。当核为60 nm时，RDX壳尺寸应在40 nm左右，才能对800 nm左右的激光有较高的光吸收。

图2 Au-RDX核壳球形纳米粒子在空气中的核尺寸对吸收光谱的影响

图3 Au-RDX核壳球形纳米粒子在空气中的壳尺寸对吸收光谱的影响

由于光声效应实验基本在水下进行[14,15]，因此本文也分析了复合纳米粒子在水中的光吸收特性。计算的复合纳米粒子在水中的吸收光谱如图 4和图 5所示。图4为半径60 nm的金核和不同尺寸的RDX壳纳米粒子的吸收光谱。可见，对于相同尺寸的纳米粒子，在水中的吸收峰比空气中的吸收峰要红移。这是因为纳米粒子的光吸收峰波长与周围介质介电常数之间满足如下关系[16]：

图4 Au-RDX核壳球形纳米粒子在水中的核尺寸对吸收光谱的影响

(1)

其中，c为周围介质的浓度，ωp为纳米金属的本征等离子体共振频率，εm为周围介质介电常数。由于水的介电常数比空气的介电常数大，因此核壳纳米粒子光吸收峰波长将变大，即出现红移。此外，随着RDX壳厚度的增加，吸收峰也会发生红移。对于800 nm左右的激光，当纳米粒子的核壳尺寸为20～60 nm时具有较高的光吸收。图5为RDX壳尺寸保持30 nm不变，改变核的尺寸对吸收光谱的影响。可见，随着核的尺寸的增加，吸收峰也会发生红移。当核壳尺寸在30～55 nm范围时，对于波长为800 nm激光有较强的光吸收。

图5 Au-RDX核壳球形纳米粒子在水中的壳尺寸对吸收光谱的影响

3.2 Au-RDX-Au-RDX球形纳米粒子光吸收特性分析

当Au和RDX颗粒均匀混合成球形纳米粒子时，可形成如图6(a)所示的结构[10]。为了方便计算，采用两种物质以球壳形式均匀相间(Au-RDX-Au-RDX)的等效模型结构模，如图6(b)所示，相应的计算模型如图6(c)所示。

图6 (a)实验制备出的均匀混合的球形纳米粒子；(b)为计算用的两种物质均匀相间的等效模型;(c)构建的计算模型

图7和图8分别为离散偶极近似计算获得的不同尺寸的Au-RDX-Au-RDX球形纳米粒子在空气和水中的吸收光谱。可见，当彼此均匀混合成尺寸为110 nm(金和RDX的厚度分别为28-28-28-28 nm)左右的球形粒子时，其在空气环境中对800 nm激光波长有较大的光吸收。而当彼此均匀混合成尺寸为90 nm(23-23-23-23 nm)左右的球形纳米粒子时，其在水环境中对800 nm激光波长具有较大的光吸收。

图7 Au-RDX-Au-RDX均匀混合球形纳米粒子在空气中的吸收光谱

图8 Au-RDX-Au-RDX均匀混合球形纳米粒子在水中的吸收光谱

3.3 RDX-Au纳米粒子光吸收特性分析

当制备为纳米级RDX核Au壳的球形粒子时，构建如图9所示的离散模型，计算其在空气和水中的吸收光谱如图10和图11所示。可见，该结构若实现在800 nm波长附近具有较高的光吸收，则其核壳尺寸大概在300 nm和70～80 nm左右。

图9 构建的RDX核Au壳的球形粒子模型

图10 RDX-Au球形核壳粒子在空气中的吸收光谱

图11 RDX-Au球形核壳粒子在水中的吸收光谱

以上计算的关于Au和RDX复合炸药粒子，其在不同结构、尺寸以及环境中的光吸收情况如表1所示。可见，当制备成纳米级Au核RDX壳球形粒子时，其在800 nm波长附近具有较高的光吸收，相应的核壳尺寸分别约为60 nm和20 nm左右，且在水中的吸收要比在空气中的吸收强。

表1 复合纳米粒子光吸收情况

4 结论

本文利用离散偶极近似法(DDA)模拟了不同结构、不同尺寸的金-RDX复合纳米炸药在不同环境介质中的近红外吸收光谱。获得了对近红外光有最佳光吸收的复合炸药的有效组合为Au核RDX壳球形纳米结构，其光吸收效率可达到3.2左右，且相应的核壳尺寸分别为60 nm和20 nm，并指出了在水环境介质下，该复合纳米炸药的光吸收性能增强。因此，将该种复合结构应用于激光点火中可有效增加对近红外激光的吸收，有助于降低激光点火阈值。这对于纳米金复合炸药的近红外激光点火的应用提供了必要的支撑信息。