含能材料爆炸伴随的巨大破坏效应不利于人们对实验现象和反应行为的深入研究。脉冲激光烧蚀是实现炸药快速反应和燃烧的重要微细观实验手段之一,兼具安全、实验效率高、资源消耗少、定向激发等优点,被认为是研究含能材料反应行为行之有效的手段之一。本文基于激光烧蚀手段,结合自发光成像、发射光谱、阴影成像等动态实验测量手段,对RDX基含铝炸药的持续性反应行为及液体含能材料硝基甲烷的流动扩散进行了研究。论文的主要研究结果如下:1、设计和完善了激光烧蚀实验系统,研究了黑索今(RDX)单质炸药与RDX基含铝炸药在激光烧蚀下的反应行为特征。实验结果表明,激光烧蚀作用于RDX单质粉末主要引起其局部的等离子体化,并未在RDX单质粉末中激发持续性的反应行为;含铝炸药在激光烧蚀下的反应行为具有典型的二次反应特征,相比单质炸药表现出明显的持续燃烧特征。铝粉参与的氧化反应是导致二次反应发生和持续反应的主要原因,AIO分子是氧化反应重要的中间产物。2、为了对激光烧蚀作用过程有更清晰的认识,同时评估空气对反应发展不同阶段的影响,我们尝试改变激光聚焦点到材料表面的距离,研究不同的激光能量沉积模式对反应发展的影响。研究发现,不同的聚焦距离下RDX基含铝炸药的反应行为均出现了明显的二次反应特征。更近的聚焦距离对应有更好的激光加热效率及更早出现的二次反应特征。本文还从流体力学角度对燃烧图像的几何形态进行了分析,指出不同距离下燃烧图像中明显的涡旋运动特征应该是冲击波波后气流和涡量分布共同作用的结果。实验研究还发现,阴影实验观察到的喷射颗粒极大可能不是参与燃烧的主要物质,燃烧反应的主要参与物质应该是激光烧蚀产生的炸药蒸汽和极为微小的颗粒,它们在燃烧流场中易于受到气流影响而形成实验所观测到涡旋运动图像。3、爆炸燃烧体系中瞬态温度的测量一直是研究的难点,我们基于Na元素的发射谱和AIO分子发射光谱对反应区域的温度进行了计算。基于Na元素发射谱的原子双谱线测温方法由于能级差过小和自吸收现象存在而无法获得可靠的温度信息。基于AIO分子光谱计算得到的温度值介于3000～5000K之间,和大多数研究者测得的温度范围是一致的。温度变化趋势和整个反应发展趋势存在很好的关联性,温度在初期剧烈反应时呈现较高的数值,随着整体光强及反应的持续变弱,温度也逐渐变低。4、为了进一步理解铝粉氧化反应的作用机制,本文还研究了氩气气体环境中RDX基含铝炸药的反应行为。氩气环境下的自发光强度随时间呈单调下降趋势,其整个变化关系可以用两段(0-6μs/6μs后)指数衰减函数进行近似,这表明氩气环境在这两个时间段内均没有产生明显的化学反应增长和二次反应现象,其本质应为两类物质从初值发生耗散直至消失的过程,耗散速度取决于各时间段内起主导作用的物质类别。结合氩气环境下的研究结果,我们对空气环境中含铝炸药的反应行为进行了重新理解:其前期(0～5μs)和后期(20～50μs)均可视为典型的指数衰减型,对应不同元素和物质从初始状态开始耗散和冷却的过程:中期(5～20us)呈现为抛物线型,可以认为是典型的二次反应和反应增长发生的特征,反应的主要类型应为铝粉蒸汽与氧气间的反应。总的来说,空气环境中铝粉颗粒对炸药整体燃烧性能的改善主要体现为两个方面:一方面是RDX及其产物与铝粉颗粒间的氧化反应,一般发生于前期阶段,在较高的温度条件和较稠密的电离状态下进行;另一方面就是氧气与铝粉颗粒间的氧化反应,它主要发生于中期(5～20”μs),属于典型的放热反应,它是含铝炸药反应增长和产生二次反应最重要的原因。5、本文还对激光烧蚀下液体含能材料硝基甲烷与惰性材料水的流动扩散行为进行了研究。实验获得激光烧蚀下硝基甲烷和水在40 ns～100 ms时间范围内典型冲击波传播、空泡膨胀和塌缩等过程的流动图像。与水相比,硝基甲烷中没有观察到二次冲击波的产生,研究认为这是由于激光烧蚀硝基甲烷时产生了一定的非溶性气体产物,使得空泡在塌缩时难以压缩到很小的体积、导致液面间的高速碰撞及二次冲击波的产生。同时硝基甲烷中的这些非溶性气体在最后阶段形成大量气泡逸出,而这一现象在水中并不明显。本文对冲击波、空泡等界面运动的基本规律进行了分析,综合数值模拟手段考察了激光能量在硝基甲烷和水中转化为机械能的情况。从硝基甲烷和水中空泡能量分布来看,硝基甲烷中空泡能量接近水中的两倍,超过了正常预期,这极可能是激光烧蚀导致了硝基甲烷离解放能的结果,但要完全证实这一点还需要进一步的研究。本文建立和完善了基于激光烧蚀研究含能材料反应行为的实验平台,加深了对含铝炸药反应行为和硝基甲烷放能的认识,并从一定程度上拓展了激光烧蚀技术的应用范围。