"外嵌内包"微结构的奥克托今/铝复合粒子制备及其应用性能

为改善铝粉在炸药爆轰过程中的动力学条件,采用喷雾包覆法制备奥克托今/铝（HMX/Al）复合粒子,并基于该粒子制备含铝炸药,利用扫描电镜、能谱仪和红外光谱分别对HMX/Al复合粒子形貌、表面元素组成以及化学结构进行表征;通过机械感度、爆热、金属驱动和爆炸罐试验,研究HMX/Al复合粒子基含铝炸药的爆炸性能。结果表明：粒径为13 μm、未经酯类物质清洗及无氟橡胶2603（F2603）预包覆的铝粉有利于形成“外嵌内包”的微结构;HMX/Al复合粒子通过非键作用形成复合结构;制备工艺对撞击感度无显著影响,“外嵌内包”微结构可将HMX/Al复合粒子的摩擦感度由88%降低至12%;HMX/Al复合粒子基含铝炸药的爆热、驱动金属飞片的最大速度和后燃最高温度比传统含铝炸药分别提高5.5%、7.3%和6.4%,证明HMX/Al复合粒子可以使铝粉提前参与爆轰反应,提高铝粉反应完全性。     

含能快递

正香港城市大学原位制备了反应活性增强的炸药内嵌型纳米含能复合材料香港城市大学与中国工程物理研究院化工材料研究所合作设计了炸药内嵌的CuO/Al/CL?20纳米含能复合物。通过简单的溶解?重结晶过程,直接在硅基底上将CL?20嵌入CuO/Al核壳纳米铝热剂阵列。CL?20的嵌入显著增强了反应的总放热量,使CL?20活化能降低18.2%,而且复合物表现出剧烈而稳定的燃烧行为。该设计思想可适用于其他炸药及纳米结构含能材料。     

制备梯度结构来提高HMX/Al复合材料的燃烧和压力输出性能（英）

含铝炸药因其高能量密度和压力输出而被广泛应用。为了调控和提高含铝炸药的二次燃烧反应和压力输出,以竹子的微观结构为灵感设计了具有分级结构的HMX/Al径向梯度药柱,使用3D打印技术制备了不同铝含量和不同铝颗粒尺寸的HMX/Al径向梯度结构药柱,研究了Al含量和粒径分布对HMX/Al梯度结构燃烧性能和压力输出的影响。结果表明,当HMX/n-Al（160 nm）径向梯度结构按照从中心层向外层Al的质量分数分别为10%、20%和30%分布时,内层的燃烧反应和火焰传播速度比外层更快;其密闭空间内由于气体释放而获得的压力（2337.61 kPa）高于反向分布的梯度结构药柱。当HMX/Al径向梯度结构按照从中心层向外层Al粒径依次为10 μm-Al,5 μm-Al和n-Al分布时,梯度结构药柱的燃烧过程比较缓慢,可以看到单独铝颗粒的燃烧现象。当中间层为n-Al时,HMX/Al径向梯度结构具有最大的压力输出（1512.65 kPa）,高于均相的HMX/Al药柱;当中间层为10 μm-Al时,获得了具有双重峰的压力输出。     

零氧平衡RDX/NC/AP/Al复合炸药的制备及其性能表征

以零氧平衡为配比依据,硝化棉（NC）为粘结剂、高氯酸铵（AP）为氧化剂、环三亚甲基三硝胺（RDX）和纳米铝粉（Al）为燃烧剂,分别采用机械混合法和静电喷雾法制备RDX/NC/AP/Al复合炸药。采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和热重-差示扫描量热仪（TG-DSC）对样品的形貌、结构和热性能进行表征;并利用高速摄影仪、撞击感度仪和摩擦感度仪和对样品的燃烧过程和机械感度进行了分析。结果表明：机械混合法制得的RDX/NC/AP/Al复合炸药颗粒为球形;采用静电喷雾法制得的RDX/NC/AP/Al复合炸药颗粒为团聚微球;机械混合法和静电喷雾法制得的RDX/NC/AP/Al复合炸药中的组分NC、RDX、AP、Al之间为物理复合;采用机械混合法和静电喷雾法制得的RDX/NC/AP/Al复合炸药的失重过程分为两个阶段（200~210 ℃和250~350 ℃）,第一阶段是部分RDX和AP的分解,第二阶段是剩余RDX和NC的分解;与机械混合法制得的RDX/NC/AP/Al复合炸药相比,静电喷雾法制得的RDX/NC/AP/Al复合炸药的表观活化能提高了41.25 kJ·mol^-1,热爆炸临界温度提高了4.09 K,燃烧速度提高,机械感度得到了降低。     

高聚物粘结炸药冲击起爆统计热点反应速率模型

为深入探索非均质固体炸药冲击起爆热点机制,重点关注炸药孔洞尺寸分布及热点点火临界条件,建立高聚物粘结炸药(PBX)冲击起爆统计热点反应速率模型,描述热点形成、形核或消亡、点火后燃烧反应演化直至快速转为爆轰的全过程。奥克托今（HMX）基PBX9501和三氨基三硝基甲苯（TATB）基LX-17炸药冲击起爆过程的数值模拟结果显示,反应流场中波到达时间的计算值与实验值偏差小于3.7%,初步验证了统计热点反应速率模型的合理性,且相比文献［21-24］的统计模型适应性更强。研究结果表明：孔洞尺寸分布对非均质固体炸药冲击起爆感度影响显著;HMX基PBX炸药冲击起爆爆轰成长过程呈加速反应特性,而TATB基PBX炸药表现为稳定反应特性,进一步提高了对HMX/TATB混合基钝感高能炸药冲击起爆机理的认识。     

Al/Ti基纳米复合燃料热反应性及燃烧性能

为有效促进Al/Ti金属间反应,利用高能球磨法制备Al/Ti@AP/NC和Al/Ti@PVDF/CL-20两种核壳型复合燃料。采用扫描电子显微镜评估复合颗粒的包覆效果,利用综合热分析仪研究复合燃料的热反应性能,通过氧弹燃烧仪测试复合燃料的能量性能,借助综合燃烧诊断系统研究复合燃料的燃烧特性,利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪研究Al/Ti基复合燃料燃烧产物的形貌及成分。研究结果表明：采用高能球磨法可使含能复合物均匀包覆在Al/Ti表面;Al/Ti的加入促进了含能复合物分解,同时含能复合物包覆增强了Al/Ti金属间反应、提高了燃料的火焰传播速度和燃烧波温度;尤其是采用AP/NC含能复合物为包覆层的复合燃料,其火焰传播速度(246.6 mm/s)较相同配方未包覆含能复合物的Al/Ti(23.5m/s)增加了9.5倍,燃烧波温度(1 703.2℃)较Al/Ti(1 069.3℃)提高了59.3%。复合燃料凝聚相燃烧产物成分取决于包覆物元素组成,凝聚相燃烧产物主要包含AlTi₂C和Ti(O_0.19C_0.53N_0.32     

空心结构的Al/PTFE基反应材料构筑及其燃烧性能

为探究结构对铝/聚四氟乙烯（Al/PTFE）基反应材料燃烧性能的影响,提高氟基铝热剂燃烧性能,利用增材制造技术,制备了实心、空心、核壳结构和限域空心结构的Al/PTFE基反应材料以及限域空心结构的铝/氧化铜（Al/CuO）、铝/氧化铁（Al/Fe₂O₃）基反应材料。并采用扫描电子显微镜、差示扫描量热仪、高速摄影仪和恒容燃烧仪对其微观结构、热性能、燃烧速率以及产气性能进行了研究。结果表明：各样品结构完整,组分均匀;核壳结构和限域空心结构的样品放热量比同质量的实心结构和空心结构的样品低;空心、核壳结构和限域空心结构的样品的燃速分别为实心结构样品的1.44、1.32倍和2.62倍;空心结构和限域空心结构的样品的产气性能与增压速率获得明显提高,其中限域空心结构的样品提升最明显;Al/PTFE基、Al/CuO基和Al/Fe₂O₃基的限域空心结构材料燃速比其实心结构均有着明显的提升,该结构对Al/Fe₂O₃材料燃速提升最明显。制备空心结构材料来调控线条的燃烧性能有望对新型高性能武器的设计提供新思路。     

不同粒度铝粉在HMX基炸药中的能量释放特性

为研究铝粉在HMX基炸药中的能量释放特性,采用压力传感器对不含铝粉的HMX/HTPB 88/12炸药及含有粒度为13,130μm铝粉的HMX/Al/HTPB 53/35/12炸药在密闭空间中爆炸后的准静态压力进行了测量。结果表明:HMX/HTPB 88/12和HMX/Al/HTPB 53/35/12炸药爆炸后在密闭条件下均能产生准静态压力。HMX/Al/HTPB 53/35/12炸药的准静态压力是HMX/HTPB 88/12炸药的1.24倍。铝粉颗粒度分别是13μm和130μm的HMX/Al/HTPB 53/35/12-炸药在密闭空间中爆炸产生的准静态压力分别是378 k Pa和347 k Pa,说明内爆条件下,当铝粉含量为35%时,与含大颗粒铝粉炸药相比,含小粒度铝粉炸药能够释放更多能量,提高密闭空间中的准静态压力。     

约束HMX基PBX炸药裂缝中燃烧演化实验

为了研究约束装药裂缝中的燃烧演化规律,获取典型尺寸裂缝中的对流燃烧特性,加深对意外事故条件下武器装药发生点火后转变为高烈度反应过程的机理性认识,采用热点火方式结合高速摄影、压力测量等测试技术,对约束条件下某奥克托今（HMX）基高聚物粘结炸药（PBX）（HMX质量分数为95%）不同宽度预置裂缝（50,100,200 μm）中燃烧演化过程开展了实验研究。结果表明,约束装药内部50 μm宽裂缝中的对流燃烧能够产生超过250 MPa的压力,燃烧波阵面传播速度超过400 m·s^-1;裂缝越宽,对流燃烧产生的峰值压力越低,燃烧波阵面传播速度越快;炸药裂缝中的对流燃烧演化主要包含4个阶段：较低压力梯度下点火药燃烧产物的早期对流传播（炸药表面未反应）;产物气体的稳定对流传播伴随炸药表面燃烧导致的裂缝增压过程;炸药大量燃烧导致急速增压伴随约束壳体变形和炸药破裂;极端高压下约束壳体的解体泄压过程。     

RDX基金属化炸药的爆轰反应区参数测量

为了研究RDX基金属化炸药组分对爆轰过程的影响,采用光子多普勒测速技术(PDV)测试界面粒子速度法对两种RDX基金属化炸药的爆轰反应区参数进行了实验研究.利用造粒法制备了含铝(RDX/AP/Al)与含储氢合金(RDX/AP/Al/B/MgH2)两种金属化炸药,利用爆轰波加载起爆被测金属化炸药,并与钝化RDX炸药的爆轰反应区参数进行对比分析.结果表明AP/Al组分的加入使RDX的CJ爆轰压力从25.8 GPa降低到20.1 GPa,此外金属化炸药的爆轰反应区时间(53.6 ns)和长度(0.29 mm)均高于钝化RDX的爆轰反应区时间(24.3 ns)和长度(0.15 mm).B/MgH2的加入进一步升高了炸药的爆轰反应区时间(58.0 ns)和长度(0.30 mm).高能金属燃料组分的加入降低了炸药的输出压力,提高了炸药的爆轰反应区时间和反应区长度.     

纳米α-Al2O3对HMX撞击感度的影响

比较了单质炸药HMX和混合炸药HMX／纳米Al2O3落锤撞击试验，研究纳米α-Al2O3对HMX撞击感度的影响，并对纳米Al2O3在混合炸药中作用机理进行了探讨。结果表明，纳米α-Al2O3具有润滑作用，HMX／纳米Al2O3混合炸药的撞击感度随纳米α-Al2O30，添加量的增加而降低，添加2．0％(质量分数)纳米α-Al2O3混合炸药与单质炸药HMX相比，2．5kg落锤测试的50％爆炸特性落高(如)提高了13．1cm。     

黑索今基含铝炸药烤燃实验和数值模拟

含铝（Al）炸药在烤燃过程中,Al粉会改变炸药内部传热机制从而影响炸药热反应,因此需要研究含Al炸药热反应特征。采用多点测温烤燃法,对压装黑索今（RDX）/石蜡（WAX）（96/4）炸药进行了烤燃实验,获得了炸药内部不同位置处温度变化;结合数值模拟计算,标定了RDX炸药反应动力学模型参数;分别采用多点测温烤燃法和烤燃弹法,对压装RDX/Al/Binder（60/31/9）和熔铸梯恩梯（TNT）/RDX/Al（60/24/16）两种含Al炸药进行了烤燃实验,获得了炸药内部温度变化及点火时间。建立含Al炸药热反应计算模型,计算分析了炸药热反应特征。对RDX/Al/Binder考虑了Al粉的吸热和热传导;对TNT/RDX/Al考虑了相变及多步热分解反应,并采用多组元网格单元计算法同时考虑Al粉的吸热;对炸药烤燃实验进行了数值模拟计算,通过与实验结果比较验证了计算结果的准确性。研究结果表明：Al粉的加入会加快压装RDX/Al/Binder（60/31/9）含Al炸药内部的传热速率,缩短其点火时间,降低炸药热安全性;Al粉的加入对铸装TNT/RDX/Al（60/24/16）含Al炸药的传热过程没有显著影响。     

飞片冲击起爆高能钝感高聚物粘结炸药的实验研究

为了对比奥克托今（HMX）基和三氨基三硝基苯（TATB）基高聚物粘结（PBX）炸药冲击起爆爆轰建立过程的差异,研究高能钝感炸药的爆轰成长特性,采用火炮驱动铝飞片实现平面冲击加载,建立一维拉格朗日锰铜压阻实验测试系统,得到高能PBXC03(以HMX为主)和高能钝感PBXC10(以TATB为主)炸药冲击起爆爆轰成长过程的不同拉格朗日位置处压力变化历史和前导冲击波时程曲线。结果表明：高能钝感PBXC10炸药的爆轰建立过程与高能PBXC03炸药明显不同,HMX基和TATB基PBX炸药冲击起爆和爆轰成长的物理机制存在较大差异。基于所得数据可标定高能钝感PBX炸药的反应速率方程。     

24-二硝基苯甲醚基熔铸含铝炸药圆筒试验及爆轰产物状态方程

为明确含铝炸药冲击起爆过程中爆轰产物状态方程参数的确定方法,采用2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸含铝炸药RA1（奥克托今(HMX)/DNAN/Al）和对应含氟化锂(LiF)炸药RF1（HMX/DNAN/LiF）开展50 mm标准圆筒试验。利用电探针测速法和光子多普勒速度测试技术获得RA1和RF1炸药的爆速和圆筒膨胀速度,并通过遗传算法和数值模拟技术分别确定两种炸药的爆轰产物状态方程参数。对比RA1与RF1炸药的圆筒速度变化曲线发现：在0~4.6 μs时间内,两曲线重合度较高;在4.6 μs以后,随着铝粉反应量的增加,两曲线出现明显分离。结果表明：铝粉在爆轰阶段反应量很少,反应主要发生在产物膨胀阶段,由此可得在含铝炸药冲击起爆过程中铝粉的反应量可近似忽略,冲击起爆数值模拟时含铝炸药爆轰产物的状态可由对应含LiF炸药的产物状态方程描述。     

高氯酸铵包覆层对硼粉燃烧性能的影响

为揭示高氯酸铵（AP）包覆层对硼燃烧性能的影响规律,采用溶剂蒸发法制备了AP包覆硼（AP/B）复合粒子。借助扫描电镜评估了AP/B复合粒子的包覆效果,利用CO₂激光点火装置研究了AP/B复合粒子点火燃烧特性,通过量热弹测试了DNTF基AP/B复合粒子炸药的爆热值。结果表明：严格控制溶剂蒸发法工艺参数可使AP均匀地析出在硼的表面上,并实现硼的较好包覆;AP包覆层可以改善硼的燃烧完全性,AP/B复合粒子相比于硼粉以及AP燃烧更为剧烈且光照强度瞬间增至最大值;AP/B复合粒子可明显提高炸药能量释放率,DNTF基AP/B复合粒子炸药爆热值（7 696 kJ/kg）较相同配方未包覆炸药爆热值（7 208 kJ/kg）提高6.5%以上。为揭示高氯酸铵（AP）包覆层对硼燃烧性能的影响规律,采用溶剂蒸发法制备了AP包覆硼（AP/B）复合粒子。借助扫描电镜评估了AP/B复合粒子的包覆效果,利用CO₂激光点火装置研究了AP/B复合粒子点火燃烧特性,通过量热弹测试了DNTF基AP/B复合粒子炸药的爆热值。结果表明：严格控制溶剂蒸发法工艺参数可使AP均匀地析出在硼的表面上,并实现硼的较好包覆;AP包覆层可以改善硼的燃烧完全性,AP/B复合粒子相比于硼粉以及AP燃烧更为剧烈且光照强度瞬间增至最大值;AP/B复合粒子可明显提高炸药能量释放率,DNTF基AP/B复合粒子炸药爆热值（7 696 kJ/kg）较相同配方未包覆炸药爆热值（7 208 kJ/kg）提高6.5%以上。     

新型HMX/AP/EP纳米复合物的制备及表征（英文）

以含能聚合物(EP)为基底通过共沉淀法制备了奥克托今(HMX)/高氯酸铵(AP)/含能聚合物(EP)纳米复合物。用扫描电镜(SEM),能量色散X射线能谱(EDS)、比表面积(Brunauer-Emmett-Teller(BET))测定、红外(IR)光谱法和差示扫描量热法(DSC)表征了它的结构及性能。结果表明,HMX/AP/EP纳米复合物具有三维纳米网状结构。HMX和AP均匀沉积在EP上面,其尺寸为50~200 nm。HMX、AP和EP紧密结合在一起,具有良好的相容性。HMX/AP/EP纳米复合物的分解温度远低于HMX的。当HMX/AP/EP纳米复合物的氧平衡为零时,其分解热高达2570 J·g-1。HMX/AP/EP纳米复合物的撞击特性落高H50为50.49 cm,与HMX的撞击感度的特性落高(27 cm)相比,其机械感度较低。     

铝氧比对含铝炸药水中爆炸冲击波的影响

通过实验测量了RDX/Al/Wax和AP/RDX/A1两类含铝炸药水中爆炸的冲击波能、气泡能、总能量，计算了RDX/Al/Wax和AP/RDX/A1两类含铝炸药的铝氧比，经实验发现两者炸药在铝氧比为0.4左右时，冲击波能分别达到最大。并经计算分析了RDX/TNT/Al/Wax体系炸药符合上述规律。研究发现最大冲击波能大小顺序为AP/RDX/A1、RDXlAl/Wax、RDX/TNT/A1/Wax，这些规律为水中兵器用炸药配方设计提供科学依据。     

低易损浇注HMX-Al基PBX炸药设计与性能

为提高HMX-Al基混合炸药的能量和低易损性能,通过分析计算Al含量、奥克托今(HMX)含量对炸药爆轰性能的影响规律,确定了高固含量含铝PBX(polymer bonded explosive)炸药设计依据,在此基础上通过三级颗粒级配优化、固化体系筛选及降感剂、工艺助剂的选择应用,制备了固相含量90％(HMX/Al=75/15)的端羟基聚丁二烯(HTPB)/异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)黏结体系浇注固化炸药GOL?42,炸药工艺及安全性能优良.按照GJB772A等方法对GOL?42炸药进行了爆轰能量、低易损性、力学性能、热性能及加速贮存性能测试,结果表明:该炸药实测密度1.782 g·cm-3、爆速8251 m·s-1、爆压26.9 GPa,Φ25 mm圆筒试验格尼系数2.76 mm·μs-1,在快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击试验中响应程度均为低反应等级的燃烧反应,炸药综合性能优良,预估贮存寿命20年以上,是一种长寿命低易损浇注炸药.     

纳米碳在含能材料中的应用进展

纳米碳具有比表面积大、安全钝感、燃烧产物绿色无污染、与反应物接触面积大及易改性等优点,在调节高能炸药、推进剂、铝热剂等含能材料性能方面具有一定优势。本文总结了纳米碳对含能材料的分解特性、感度、力学性能、燃烧性能的影响、以及其用于含能材料检测、吸附、降解方面的应用进展。分析了典型纳米碳,如纳米金刚石、富勒烯、纳米碳纤维、碳纳米管和石墨烯在含能材料改性中的作用机理,并指出纳米碳在含能材料应用中存在的问题,提出未来的发展方向：（1）优化纳米碳制备工艺,解决纳米碳成本高、易团聚和批次差异较大等问题;（2）扩大纳米碳应用范围,探究洋葱碳等新型纳米碳结构以及改性纳米碳对含能材料性能的影响;（3）根据特定环境与纳米碳调节机理,优化纳米碳在含能材料性能提升中的应用条件。     

基于Pickering乳液构建球扁形核壳CL-20/TNT共晶@Al复合物

六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）和纳米Al粉可以提升推进剂或炸药配方的能量,但是纯CL-20或其与一定量Al粉的复合物均具有较高的感度,因此获得低感度的CL-20与Al粉均匀复合物有着重要的意义。以全氟羧酸修饰的纳米Al粉为表面活性剂,CL-20和TNT的乙酸乙酯溶液为油相制备Pickering乳液,研究了纳米Al粉用量和静置时间对乳液稳定性的影响规律,成功制备出球扁形核壳CL-20/TNT共晶@Al复合物,对其形貌、晶型、热分解和安全等性能进行了表征。结果表明,Al粉含量为1%、10%和20%时可以获得稳定的乳液;静置时间少于100 min时,可以获得稳定的乳液;X射线粉末衍射（XRD）结果表明,两种炸药形成了CL-20/TNT共晶;扫描电镜（SEM）结果显示,所形成的球扁形共晶尺寸约为20~40 μm,纳米Al粉均匀包覆在共晶表面;复合物的特性落高H₅₀为35 cm,摩擦感度爆炸概率为30%,安全性能高于纯CL-20。采用的制备方法中未添加非含能组份,理论上没有降低CL-20/TNT共晶@Al复合物的能量,有望为含CL-20、Al的高能推进剂和炸药的设计和制备提供新思路。