液相含能材料分子形變及功能團旋轉(zhuǎn)的超快動力學研究.pdf

1、 國內(nèi)圖書分類號：O472.3 學校代碼：10213 國際圖書分類號：535 密級：公開 理學博士學位論文 理學博士學位論文 液相含能材料分子形變及功能團旋轉(zhuǎn)的超快動力學研究 博 士 研 究 生 ： 王暢 導 師 ： 楊延強教授 申 請 學 位 ： 理學博士 學 科 ： 物理學 所 在 單

2、 位 ： 理學院物理系 答 辯 日 期 ： 2017 年 3 月 授予學位單位 ： 哈爾濱工業(yè)大學 摘要 - I - 摘要 摘要 含能材料在國防軍事和經(jīng)濟建設(shè)等諸多領(lǐng)域都發(fā)揮著非常重要的作用。為了設(shè)計和制備具有特殊性能的含能材料并評估其安全性、可靠性，需要詳細了解其反應(yīng)動力學過程以及化學反應(yīng)機理。盡管國內(nèi)外的研究人員在此方面進行了大量的研究工作，但是對含能材料微觀反應(yīng)機制的認識還很不統(tǒng)一。其原因是從原子分子層面對凝聚相含能材

3、料反應(yīng)動力學的理論模擬研究較多，而大部分實驗工作還限制在氣相分子解離產(chǎn)物的探測或者宏觀爆轟過程的觀測與分析等方面，對凝聚相含能材料微觀機制反應(yīng)的實驗研究不足，導致實驗結(jié)果和理論結(jié)果無法相互支撐。 目前在實驗研究方面缺乏對含能材料分子在外界能量作用下的分子形變、功能團旋轉(zhuǎn)、分子內(nèi)振動能量耦合的實驗研究，而這些研究對于了解含能材料反應(yīng)的微觀機制起到至關(guān)重要的作用。本論文采用非共振強泵浦時-頻分辨寬帶相干反斯托克斯拉曼（CARS）光譜技術(shù)，研

4、究了強激光場條件下液相硝基苯和硝基甲烷兩種含能材料分子在電子基態(tài)上的分子動力學過程。目的是獲得含能材料分子受振動激發(fā)后在電子基態(tài)上的動力學過程及相關(guān)參數(shù)，如分子形變以及振動模式之間的耦合等超快動力學過程， 分子發(fā)生形變的弛豫時間、 功能團旋轉(zhuǎn)等物理參量，為構(gòu)建微觀分子反應(yīng)模型、預(yù)測反應(yīng)通道提供實驗支持。 本論文給出了非共振強光驅(qū)動分子準直和形變的物理機制，設(shè)計了“強泵浦時-頻分辨寬帶 CARS 光譜”的技術(shù)方案，對液相硝基甲烷進行了測試

5、性實驗，發(fā)現(xiàn)泵浦光能量高于一定值時 CARS 光譜發(fā)生窄化，通過分析認為強泵浦光引起了受激拉曼散射效應(yīng)，確定了受激拉曼散射的強度閾值。 基于上述理論和實驗結(jié)果， 本論文利用強泵浦時-頻分辨寬帶 CARS 技術(shù)實時觀測到了液相硝基苯分子在飛秒強激光場作用下的初始動力學過程。在 800-1200 cm-1 頻率范圍內(nèi)的 CARS 信號中觀測到了多個振動模式同時被激發(fā)產(chǎn)生的耦合現(xiàn)象。在 1200-1500 cm-1 的頻率范圍內(nèi)觀測到了硝基苯

6、的 NO2 扭擺振動和 NO2 對稱伸縮振動的耦合。探測到了硝基苯分子中硝基 O-N-O 夾角的收縮及弛豫過程，弛豫時間為 265 fs。獲得液相硝基苯的 NO2 扭擺振動頻率值為 40± 2 cm-1。根據(jù)形變及振動能量轉(zhuǎn)移分析， 在非共振激光強場條件下， 當激光強度增大至反應(yīng)閾值時，液相硝基苯分子可能發(fā)生的的初始反應(yīng)是 C-N 鍵的斷裂。 本論文分別采用飛秒脈沖和皮秒脈沖作為強泵浦時-頻分辨寬帶 CARS 實驗中的探測光，