HMX分子与晶体结构性能研究进展

奥克托今(HMX)是目前使用最广泛的含能材料之一。本文综述了HMX的两种分子构象结构、电子结构性质、分子热稳定性以及HMX基晶体的堆积结构和热稳定性的研究进展。从分子角度、晶体堆积结构分析了HMX分子构象稳定性和HMX基晶体热稳定差异的本质,比较了不同分解机理的动力学和热力学数据。认为探索HMX不同晶型转化机理和热力学性质,制备新型HMX共晶并深入理解其形成机制,以及建立更准确的模拟计算方法是未来的研究重点。     

RDX热分解特性及HMX对其热稳定性的影响

利用微热量热实验研究了黑索今(RDX)的热分解特性及奥克托今(HMX)对其热稳定性的影响,运用AKTS分析软件对热分解曲线进行解耦分峰,得到了不受熔融相变影响的热分解曲线和参数,采用Kissinger、Friedman和Ozawa法计算了其热分解活化能。结果表明:RDX是熔融分解型物质,解耦后的RDX熔融峰温为201.07～208.05℃,分解峰温为207.99～232.76℃,活化能为167.70 kJ·mol~(-1),通过Friedman法和Ozawa法计算的活化能变化趋势相同,并得到AKTS软件验证。不同RDX/HMX比例(9/1,8/2,7/3,6/4,5/5)的样品与单质RDX相比,混合样品中RDX的熔融峰温平均降低了8.63,8.32,9.70,8.57,6.50℃,其分解峰温平均改变了1.14,2.01,2.58,3.53,3.47℃;混合样品中RDX活化能为162.32,151.40,149.78,141.14,132.93 kJ·mol~(-1),表明随着HMX比例的增加,RDX活化能降低。     

喷雾干燥法制备亚微米鞣酸铁/硝胺炸药复合微球及其催化性能

为了研究鞣酸铁催化剂对固体推进剂中常见组分热分解性能的影响,采用超声喷雾干燥法制得三种亚微米复合微球(鞣酸铁(Ta-Fe)/六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、鞣酸铁/黑索今(RDX)、鞣酸铁/奥克托今(HMX))。利用扫描电镜(SEM)和粒度分析等方法分别对复合微球的形貌、粒度和组分进行表征。采用差示扫描量热法(DSC)研究复合微球中鞣酸铁对CL-20、RDX、HMX热分解的催化过程及动力学参数的影响。结果表明,鞣酸铁分布均匀,样品均呈球状颗粒,且流散性好,粒度为500~1000 nm;鞣酸铁能有效促进CL-20、RDX、HMX的热分解,使得CL-20、RDX、HMX的热分解峰温分别提前了17.2,8.2,11.5℃,其中鞣酸铁对CL-20的热分解催化效果最佳,Ta-Fe/CL-20复合微球的活化能与原料CL-20相比降低了9.6 kJ·mol……-1。     

用飞行时间质谱计研究水杨酸铅对HMX热分解的催化作用

本文利用飞行时间质谱计研究了水杨酸铅在150～300℃温度范围内对HMX热分解的催化作用。通过实验测定了水杨酸铅对HMX热分解产物及热分解速度的影响,并对不同温度下HMX和HMX加水杨酸铅的热分解动力学参数作了比较。本文还对水杨酸铅的催化活性及其对HMX热分解过程的催化作用机理进行了讨论。     

动态真空安定性方法评估LA和CMC-LA热安定性

采用动态真空安定性(DVST)方法研究了叠氮化铅(LA)和羧甲基纤维素叠氮化铅(CMC-LA)的热分解过程。利用微分法分析了测试数据。获得了LA和CMC-LA的反应机理函数和表观活化能,剖析了羧甲基纤维素钠晶型控制剂对LA安定性和热分解反应动力学参数的影响。结果表明,在非等温阶段,60~100℃,LA热分解反应的机理函数为Zhuralev-Lesokin-Tempelman方程,表观活化能(Ea)分别是86.53、42.26、39.43、38.09 k J·mol-1和10.84k J"mol-1。在60~70℃,CMC-LA热分解反应的机理函数为Avrami-Erofeev方程,Ea分别是133.02 k J·mol-1和41.87 k J·mol-1,在80~100℃,CMC-LA热分解反应的机理为减速型α-t曲线,Ea分别是43.07、34.34 k J·mol-1和33.46 k J·mol-1。添加羧甲基纤维素钠改变了LA的反应机理函数,使得CMC-LA在60~70℃产气量更小,热安定性更好。     

制备工艺对HMX机械感度和热分解特性的影响

采用对原料奥克托今(HMX)筛分、球磨和溶剂/非溶剂重结晶等三种方法,制备出了不同形貌和粒度的HMX粉末。利用激光粒度仪和扫描电子显微镜(SEM)对样品进行了表征,并进行了撞击感度、摩擦感度及DSC测试,计算了三种HMX样品的表观热分解活化能。结果表明,筛分法制备的HMX样品,随着样品d50的减小,其机械感度没有明显的变化规律;球磨法制备的HMX样品,随着样品d50的减小,其撞击感度降低、摩擦感度升高;溶剂/非溶剂法制备的HMX样品,随着样品d50的减小,撞击和摩擦感度均降低。球磨法制备的HMX热分解活化能的平均值为262.184kJ.mol-1,明显高于溶剂/非溶剂法(238.902kJ.mol-1)和筛分法(242.343kJ.mol-1)。     

HMX热分解动力学与热安全性研究

利用差示扫描量热法( DSC),获得了单质炸药奥克托今(HMX)热分解的特征参数,利用热重法(TG)得到HMX热分解的起始分解温度、各阶段的失重量、最大失重速率及对应的温度、最终残渣量、反应深度、反应速率等参数.将DSC、TG数据与Malek法相结合对HMX的热安全性进行了研究.结果表明,HMX在加热过程中先出现晶型转...     

360 nm紫外激光辐照下HMX晶体的微观结构变化

为了研究奥克托今(HMX)晶体的激光辐照效应,采用多种技术手段表征了HMX晶体在360 nm紫外激光下的微观结构演化.光学显微镜下观察了激光辐照下HMX晶体内部的缺陷积累直至细化开裂的过程.通过对原位拉曼光谱分析发现HMX吸收紫外光子后会激发HMX分子,引起环的振动.采用原位广角X射线散射(WAXS)、单晶衍射(SCXRD)和原位小角X射线散射(SAXS)技术研究了HMX在紫外激光辐照过程中的晶体变化及缺陷演化,发现HMX不会发生相变但会细化并产生新的缺陷.原位SAXS结果表明,激光辐照1170 min后HMX孔隙不断增多,并在10～20 nm和30～40 nm两个区域呈双峰分布.激光辐照过程中HMX的小尺寸孔隙不断增多并逐渐融合成更大尺寸的孔隙,缺陷不断累积,微孔隙延伸成微裂纹,再扩展成宏观裂纹.     

动态真空安定性试验(DVST)方法研究(Ⅱ):RDX的热分解

运用动态真空安定性试验(Dynamic Vacuum Stability Test,DVST)方法研究了RDX的热分解过程,对测试数据拟合求解得出RDX在非等温阶段的分解机理函数为Avrami-Erofeev方程(n=4),表观活化能为174.10kJ.mol-1,lnA为34.45;等温阶段的分解机理函数为Anti-Jander方程模型,即G(α)=(1-2/3α)-(1-α)2/3,反应速率常数k=1.63×10-5s-1。分解气相产物在标准状态下为0.10mL.g-1。实验不仅得到了与真空安定性试验(VST)方法相吻合的分解最终结果,还得到了合理有效的动力学参数,证明了DVST方法的科学性和可靠性。实验实时跟踪了RDX的分解过程,得到了分解过程中各物理量的变化信息,为RDX的安全储存、可靠使用提供更为有效的数据。     

多孔网状HMX的制备与表征

将奥克托今(HMX)溶于二甲基亚砜(DMSO)中,获得HMX/DMSO络合物晶体,再将其分别加入蒸馏水和含聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的溶液中,制备了A类多孔网状HMX(PHMX-A)和B类多孔网状HMX(PHMX-B)。用扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、压汞分析仪及TG-DSC热分析仪对多孔网状HMX进行了表征。结果表明:多孔网状HMX由众多的孔和均匀连续的骨架构成,具有高的比表面积和孔隙率。PHMX-A全部为型晶体,其比表面积为5.3m2·g-1,平均孔径为501nm,孔隙率为56.1%;而PHMX-B有80%为型晶体,含少量的γ型晶体,其比表面积为19.0m2·g-1,平均孔径为75nm,孔隙率为37.2%。与HMX原料相比,PHMX-A和PHMX-B的相转变温度分别提前了2.8℃和17.5℃,其热分解温度分别提前了0.3℃和1.3℃,而其热失重开始温度分别提前了4℃和14℃。     

超声辅助喷雾法制备超细高品质HMX及其晶型控制

为制备超细高品质奥克托今(HMX)并研究其晶型,采用超声辅助喷雾重结晶细化法制备了超细HMX,研究了雾化率、溶剂与非溶剂的种类、温度等对HMX的晶体形貌及晶型的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对HMX的晶体形貌、粒径和晶型进行了表征。采用差示扫描量热仪(DSC)测试了HMX的热分解性能。用撞击感度仪测试了原料HMX和超细HMX的撞击感度。结果表明,采用超声辅助喷雾重结晶细化法制备的超细HMX受雾化率、溶剂与非溶剂的种类、温度等影响较大。超声频率为40 k Hz,搅拌转速为400 r·min~(-1),雾化率为20 m L·min~(-1),丙酮为溶剂,无水乙醇为非溶剂,温度为30℃制备出的HMX晶体形貌最佳,晶型为β型,与原料HMX相比,超细HMX的热分解表观活化能升高17.94 k J·mol~(-1),撞击感度特性落高升高29.6 cm。     

同位素示踪法在HMX合成机理及降解产物鉴定中应用的进展

概述了同位素标记的奥克托今(HMX)及其前体化合物的合成方法,同位素示踪法在醋酐法、小分子法以及以乌洛托品为基的新法合成HMX合成反应机理研究中的应用,还介绍了使用同位素示踪法在生物降解过程中对降解产物的鉴定和定量作用.研究表明,在醋酐法制备HMX的过程中倾向于重组机理;然而在TAT法和DADN法制备HMX过程中更倾向于逐步降解机理.用标记的HMX-14C可以用于生物降解产物的准确定量和定性.     

离子液体存在下重结晶制备降感HMX

为建立安全、高效、绿色钝感奥克托今(HMX)制备方法,分别以甲基咪唑硝酸盐([mimH] NO3)、丁磺酸甲基咪唑硝酸盐([mimBSO3H]NO3)、三乙胺硝酸盐([Et3NH]NO3)、丁磺酸三乙胺硝酸盐([Et3NBSO3H]NO3)为晶型助剂,丙酮、环己酮为溶剂,采用溶剂-非溶剂法重结晶制备降感HMX.结果表明,在离子液体[mimBSO3H]NO3(质量为HMX的1.5％)存在的条件下,以环己酮为溶剂,在60℃,搅拌速度750 r·min-1条件下对HMX重结晶可使HMX晶体趋于球形化.所得HMX晶体表面光滑,边缘整齐,热分解峰温提高到288℃,撞击感度4％.     

HAN基电控固体推进剂的热分解和电导率特性

为了揭示硝酸羟胺(HAN)基电控固体推进剂(ECSP)可靠点火和燃烧调控机理,采用热重-差示扫描量热-质谱(TG-DSC-MS)联用技术和阻抗-频率扫描方法分别研究了ECSP的热分解行为、热分解产物以及压力与温度对电导率的影响。结果表明:与纯HAN溶液相比,ECSP的热稳定性提高,初始分解温度提高11℃,高温放热峰峰温后移24℃,热分解历程变长。结合ECSP的热分解行为与产物质谱曲线,发现HAN基ECSP的热分解历程主要分为三步:HAN发生热分解反应;HAN的热分解产物和未分解的HAN与聚乙烯醇(PVA)发生相互作用;ECSP中剩余其他组分发生热分解。ECSP的电导率在低频率范围(0～1000 Hz)内急剧增加,但随着频率的增加,在高频率范围(大于1000 Hz)内趋于恒定。随着压强和温度的增加,ECSP的电导率增加。当温度增加到150℃时,ECSP在高频率范围的电导率与125℃时相比降低2.92%。     

微/纳米HMX颗粒级配对PBX性能的影响

为了提升高聚物粘结炸药(PBX)的综合性能,通过颗粒级配的方式,将低感度的微米和纳米奥克托今(HMX)应用到压装型PBX中,采用溶液-水悬浮法制备了4种HMX基PBX造型粉,并压制成药柱。对不同微纳米颗粒级配的JO-1、JO-2、JO-3和JO-4样品(粗颗粒/微米/纳米HMX的质量比分别为100/0/0、60/35/5、60/30/10、60/25/15),观测其表面微观结构,测量组分含量、撞击感度、摩擦感度、热分解特性、抗压性能和爆速等参数,并进行对比分析和讨论。结果表明,当粗颗粒(d_(50)=100μm)/微米(d_(50)=1μm)/纳米(d_(50)=100 nm)HMX的质量比为60/30/10时,所制备的JO-3样品有最好的性能。与单一粗颗粒HMX基PBX的JO-1样品相比,JO-3样品表面更光滑,撞击感度降低了38.3%,摩擦感度降低了22.7%,自发火温度提高了5.17℃,抗压强度提高了46%,爆速提高了55 m·s~(-1),HMX基PBX的综合性能显著提升。     

HMX中晶体缺陷的获得及其对热感度和热安定性的影响

为了研究晶体缺陷对炸药性能的影响，采取急速重结晶手段，获得了缺陷类型和数目不同的HMX重结晶样品。利用SEM观察了样品的缺陷情况，并研究了晶体缺陷对炸药感度和热安定性的影响。HMX经过重结晶后，其5s延滞期爆发点降低了51℃—54℃，其热分解起始温度及相应的表观活化能明显降低，表明晶体缺陷使HMX的热感度增加，热安定性降低。     

4-氨基-3，7-二硝基-1，2，4-三唑并［5，1-c］ 1，2，4-三嗪（TTX）合成机理与性能

为研究4-氨基-唑并[5,1-c]1,2,4-三嗪化合物的合成机理与性能,以TTX为例,采用密度泛函理论(DFT)研究了1,2,4-三唑并[5,1-c]1,2,4-三嗪类稠环可能的环化机理,研究了体系pH值对环化过程的影响;采用差示扫描量热法研究了TTX的热性能、热分解动力学,并采用BAM撞击感度测试仪测试了TTX的撞击感度.结果表明:5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑(ANTA)的重氮盐与硝基乙腈钠盐偶合中间体的类吡咯氮原子对氰基亲核加成,然后通过芳构化重排得到1,2,4-三唑并[5,1-c]1,2,4-三嗪;TTX的热分解峰温为281.8℃,表观活化能为356.7 kJ·mol-1,高于TATB;撞击感度为60 J,低于RDX.同时研究了TTX与HMX、RDX、Al粉、硝化棉(NC)的相容性,结果表明TTX与Al相容,与HMX有一定相互作用,轻微敏感;RDX、NC会明显促进TTX热分解,混合体系较为敏感,应避免混合使用.     

粒度对HMX热感度及火焰感度的影响研究

采用喷射细化法和滴加法,制备了3种粒度的HMX粉末.采用激光粒度仪和扫描电子显微镜(SEM)对样品进行了表征,对其火焰感度、慢烤热感度及热分解特性进行了测试,并计算了3种HMX样品的热分解动力学参数及热爆炸临界温度.结果表明,随着HMX d_(50)的减小,HMX的火焰感度和慢烤热感度都逐步升高;而HMX的表观活化能和热爆炸临界温度随其d_(50)的增大而逐渐升高.     

糖颗粒对HMX和RDX两种单质炸药非冲击点火的影响

为了研究惰性糖颗粒对奥克托今(HMX)和黑索今(RDX)两种单质炸药非冲击点火机理的影响,利用配备了光学观测系统的落锤撞击装置,捕获了含惰性糖颗粒的HMX和RDX经历的破碎、熔化、溅射、点火和燃烧过程。结果表明,在含糖HMX颗粒炸药和含糖RDX粉末炸药中,点火易发生在糖颗粒的周围,燃烧会沿着糖颗粒周围向外部传播;燃烧反应前两者均发生剧烈的溅射现象;含糖HMX颗粒在固相中发生点火;在含糖RDX粉末炸药中,靠近糖颗粒周围的炸药先进入熔融状态,随后熔融区域逐渐扩展,点火点易出现在糖颗粒边缘处的RDX熔融液相中。对比了在HMX/RDX单质炸药中分别加入一个和三个糖颗粒情况下的点火频率,结果表明,三个糖颗粒的情况更容易引起炸药点火;三个糖颗粒由于破碎后产生较多的碎片,其与HMX或RDX单质炸药具有较强的相互作用,可能会在多个位置形成热点,其导致的燃烧反应会比单个糖颗粒的情况更为剧烈。采用上下极限法分析得到,糖颗粒的加入对HMX颗粒炸药的点火具有抑制作用,对于RDX粉末炸药的点火具有促进作用。     

AcAn对奥克托今热稳定性的影响研究

1,9-二乙酰氧基-2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂壬烷(AcAn)是奥克托今(HMX)制备过程中产生的一种主要杂质,研究AcAn对HMX热稳定性的影响具有重要意义。基于B3LYP/6-311+G**水平全优化了AcAn的几何结构,得到船式和椅式两种稳定结构;在B3P86/6-31G**水平计算了AcAn中N—NO₂键的键离解能（BDE）,研究发现,AcAn两端与乙酰氧基相邻的硝胺N—NO₂键 容易断裂。采用差热分析（DTA）技术研究了AcAn的热分解及其含量对HMX热稳定性的影响,结果表明：HMX和AcAn的相容性差,为4级;HMX安定性最好,AcAn安定性差,AcAn含量为50%时,安定性最差;HMX产品中混有AcAn,使得HMX储存热稳定性变差,使用性能也变差;当AcAn含量高于50%时,HMX产品性能变化最大。根据双等双步法推导AcAn和HMX的最概然机理函数,热分解反应机理函数为化学反应RO(n)机理,积分函数形式为g(a)=1-(1-a)^1-n1-n,微分形式为f(a)=(1-a)ⁿ ,n=2.