RDX单晶的培养与表征

基于RDX单晶可用于其起爆机理和力学响应机制等基础研究,采用丙酮溶剂缓慢挥发法分别在室温和恒温条件下培养RDX单晶。结果表明：两种方法都可以得到厘米级的RDX单晶,在恒温条件下培养的RDX单晶质地较硬、密度较高;同时,对实验中出现的多种晶体缺陷进行了分析;应用X-射线单晶衍射法测定了恒温条件下培养的RDX晶体结构,表明其晶体属于正交晶系,空间群为Pbca,所得晶体学参数为：a=11.471(3)?,b=10.611(2)?, c=13.146(3)?,α=β=γ=90°,体积V=1600.1(6)nm3,Z=8,密度D=1.844g/cm3,F(000)=912。最终偏差因子R1=0.0309。     

RDX单晶的生长及加工

单晶研究是深入认识炸药本质特性最重要、最直接的手段.对比研究炸药单晶与粉末炸药或含有缺陷的炸药的力学响应机制、起爆和爆轰机理和规律,对认识炸药降感、起爆等物理过程,为炸药安全性能预估、炸药配方和武器装药设计提供基本性能数据具有重要意义.这些性能的研究几乎都需要厘米级以上的炸药大单晶样品.RDX有α和β两种晶型,武器使用的RDX炸药为α型.由于存在多晶现象,其单晶特别是厘米级以上的大单晶生长非常困难,不同的结晶工艺可能得到不同的晶型.因此,文献对RDX单晶的生长及性能研究很少.RDX单晶的制备主要有两个关键技术,一是如何选择适当的结晶技术和正确的结晶条件,控制得到需要的α晶型;二是晶体生长过程中如何控制缺陷和应力集中并进行晶面调整.本研究以RDX为对象,研究RDX单晶的生长及加工技术,为进行单晶性能研究奠定基础.     

RDX单晶的精密加工

炸药材料力学行为、起爆机理及其他物理性能的认识难于深入下去的主要原因之一是：缺乏具有完美晶体品质的炸药大单晶材料及其精密加工方法。黑索今（ RDX ）是比较容易生长出大单晶单质炸药之一［1-4］,迄今,国内外学者对炸药单晶的力学性能研究主要局限于其2～3个较大生长面的弹性模量、断裂韧性等的初步研究,取得了一些创新性研究成果［5-6］,但由于单晶晶体质量和测试方法的差异,各学者的测试结果还存在偏差［7-9］,不能全面反映炸药晶体的力学特性。采用轻气炮冲击加载研究炸药单晶的起爆机理和纳米压痕技术测试单晶的微力学性能等对单晶的表面粗糙度、平面度、平行度、亚表面损伤程度等均有非常高的要求,而且单晶的力学、起爆等性能与晶面取向有关［10-12］。要进行单晶的力学、起爆性能的深入细致的研究,需要对单晶进行切割、打磨和抛光等精密机械加工,因此,探索和研究RDX单晶的精密加工方法,减少或消除表面损伤对性能研究的影响十分重要。     

RDX晶体特性的设计控制与表征

为研究炸药晶体微结构与宏观性能的关系,我们深入开展了RDX晶体特性研究.首先,采用具有一定统计意义的宏观特征物理量表征了RDX晶体的微结构信息,包括内部组份的非均一性,不同的相含量及分布,内部缺陷及杂质包藏物,晶粒度大小、晶面的取向分布,晶粒的表面及形貌,以及晶粒的尺寸大小分布等,提出了RDX晶体特性的内涵,研究认为RDX的晶体特性包括晶体颗粒特性和晶体内部特性,晶体颗粒特性能反映晶体颗粒之间和晶体表面的信息,如晶体形状、晶体表面的光滑程度、颗粒的大小及分布等;炸药晶体内部特性能反映晶体的内部信息,如晶体内的包藏物和晶格缺陷等.     

RDX晶体的破碎与细观断裂行为

研究了RDX晶体颗粒集合体的破碎以及单晶体的细观断裂行为。对三种RDX晶体颗粒的压制响应行为进行了研究,通过定义破碎比来描述晶体的凝聚强度和破碎程度。实验测定表明,商业级粗原料颗粒破碎比最高,约为1.53,最易破碎,而重结晶颗粒为1.47,球形化颗粒的破碎比最小,为1.17,最不易破碎。在压痕试验中,研究首次报道了RDX(210)面上的规则跳突现象。根据加载卸载曲线,计算了RDX的屈服应力为465 MPa,远低于压痕试验测定的硬度值550 MPa,进一步计算了加载卸载曲线的振荡应力幅值为8 MPa,其对应的压入深度为1 μm,即RDX晶体(210)面上规则跳突现象发生在约为1 μm的深度范围,文中讨论了这一深度值的意义。      

含水环己酮中RDX的结晶介稳特性

为获得高品质、粒度均匀的大颗粒黑索今(RDX)晶体,研究了RDX在含水环己酮混合溶液中的结晶介稳特性。利用光谱法测定RDX在该溶液中的平衡浓度和超溶解度,得到了RDX在该溶液中的结晶介稳区宽度,建立了平衡浓度和超溶解度模型。结果表明:当溶液温度升高时,RDX的介稳区宽度变窄。当含水量为8%时,在低温区和高温区的介稳区宽度均值分别为16.4℃和15.0℃,含水量为4%时,分别为19.1℃和14.0℃;当超溶解温度高于58℃、含水量从4%增加到8%时,溶液的介稳区更宽。利用获得的介稳特性,在介稳区间加入RDX晶种结晶生长得到了约2 mm的透明、表面圆润、接近球形的高品质RDX。     

单晶铝孔洞生长的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟不同晶向单轴加载过程中,单晶铝中微纳米孔洞(约1.6 nm)的生长及周围区域的变形过程。为研究晶向对孔洞生长的影响,对具有相同初始孔洞体积分数的两个晶向进行拉伸加载,并对不同温度影响进行研究。结果表明:A晶向(x-[100],y-[010],z-[001])的形变机制主要是{111}晶面部分位错引起的堆垛层错,B晶向(x-[-110],y-[111],z-[11-2])主要是位错的移动与堆积;B晶向比A晶向的位错成核应力大;B晶向屈服应力比A晶向对温度敏感。     

单晶超合金DD3的拉伸断裂行为

采用ＳＥＭ、ＴＥＭ等分析手段，研究了单晶超合金ＤＤ３在低应变速率下的拉伸行为。结果表明：单晶超合金ＤＤ３在拉伸过程中，滑移具有强烈择优性；宏观断口都比较平坦，但在微观上均呈现塑断特征；拉伸变形时位错对切割γ′粒子是其主要的变形机制。     

RDX基复合含能微球的制备及表征

以硝化棉(NC)为粘结剂、黑索今(RDX)为主体炸药,采用喷雾干燥法制备了RDX/NC超细复合含能微球,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热法(DSC)对其进行了表征及热分析,并与RDX原料进行了对比;对喷雾干燥法细化的RDX/NC和RDX、水悬浮法包覆的RDX/NC、溶剂非溶剂法细化的RDX、RDX原料的撞击感度分别进行了测试。结果表明,RDX/NC复合含能粒子与RDX原料相比,形貌从块状变为球形,粒径从50~200μm减小至0.5~7μm,晶型无变化,但X射线衍射峰明显弱化,活化能从200.11kJ·mol-1降至186.87kJ·mol-1,热爆炸临界温度从504.98K升至507.70K。喷雾干燥细化、球形化和复合的RDX/NC球形粒子的撞击感度降低显著。     

一种镍基单晶合金在不同温度下的蠕变变形机理

利用螺旋选晶法制备了一种不含Re的低成本镍基单晶合金,研究合金在不同温度下的蠕变变形机理。结果表明:在850℃×441 MPa条件下,合金的蠕变变形主要是大量位错在基体中的滑移和对增强相的切割;在950℃×250 MPa条件下,合金的蠕变变形主要是位错以层错的形式切割γ′相;在1 040℃×137 MPa条件下,合金的蠕变变形比较复杂,既有位错在基体中的滑移,也有位错攀移通过增强相,同时在γ/γ′界面处形成部分位错网。     

高品质RDX的晶体特性及冲击波起爆特性

采用折光指数匹配的光学显微技术、浮沉分析技术、扫描电镜、激光粒度等分别对比研究了高品质RDX(D-RDX)与普通RDX的晶间包藏物、晶体表观密度、表面光滑度、颗粒粒度与粒度跨度、晶体形状等晶体特性.结果表明:D-RDX内部缺陷和杂质很少,表观密度大于1.7980 g·cm-3,普通RDX内部存在较多孔隙和杂质,表观密度...     

一种重结晶黑索今的冲击波感度研究

为了改善黑索今(RDX)结晶形态和降低感度,以二甲基亚砜为溶剂、以Twin-80为晶体改性剂,对普通RDX进行重结晶处理,使用光学显微镜、密度瓶法等分析测试了RDX重结晶前后的晶体形貌和质量,表明重结晶RDX的晶体颗粒表观密度提高约0.007g.cm-3,颗粒外形更加规整圆滑。标准SSGT小隔板试验表明,以重结晶RDX制备的浇铸PBXs,其冲击波感度比相同配方下普通2类RDX降低25%。     

RDX晶体特性对冲击感度的影响规律

采用标准隔板和落锤撞击试验方法分别研究了RDX的晶体内部空隙(用晶体表观密度表征)、颗粒度和形貌对包括冲击波感度和撞击感度在内的冲击感度的影响规律。冲击波感度测试采用隔板试验,药柱配方为RDX/食用油(质量比为76/24),药柱采用液体填充方式制备。隔板试验研究表明:随着RDX晶体表观密度在1.7961~1.7983 g.cm-3范围内增加,炸药配方的冲击波感度降低,隔板厚度从14 mm降到12.2 mm,晶体表观密度与隔板厚度基本成线性关系;当晶体表观密度为1.7976 g.cm-3时,在50~600μm粒度范围内,随着颗粒度的增加,RD X炸药配方的冲击波感度降低,隔板厚度从13.5 mm降到12.3 mm;当晶体表观密度和颗粒度相近时,晶体颗粒的外观形貌对炸药冲击波感度影响不大。落锤撞击试验表明:RD X颗粒度对撞击感度影响较大,当平均颗粒直径在16.7~337.9μm范围时,随着粒径的增加,特性落高从75 cm降到35.8 cm,颗粒越大撞击感度越高;当颗粒度相近时,在1.7961~1.7983 g.cm-3范围内,RDX晶体表观密度对撞击感度几乎无影响。     

RDX晶体形貌的分子模拟与预测

用BFDH （ Bravais-Friedel-Donnary-Harker）和AE（ Attachment Energy）模型预测了α晶形黑索今（α-RDX）的晶体形貌。结果表明,形态学上重要生长面是：（111）,（020）,（002）,（200）和（210）面,其中（111）面是最重要的生长面。 RDX晶体重要生长面结构分析表明,（210）,（002）,（200）和（111）是极性晶面,而（020）是非极性晶面,其中（210）晶面极性最强。根据晶面极性预测在极性溶剂中,（210）面将成为RDX晶体形态上重要生长面,（111）面的重要性降低,而（020）面将会在晶体生长过程中逐渐消失。丙酮溶剂重结晶RDX实验表明,RDX晶体形貌上最终显露的生长面是：（210）,（111）,（002）和（200）面,而（020）面已消失。     

离子液体-DMSO混合溶剂精制RDX的研究

为了得到晶粒均一,形貌规整的RDX晶体,在70℃下,采用DMSO-[Emim]BF4,DMSO-[Bmim]Cl,DMSO-C6mimBr(质量比均为80:20)混合溶剂对RDX进行重结晶,室温冷却析晶得到精品,滤液再利用水或甲醇沉淀,将所得到的晶体用扫描电镜和差热扫描量热仪(DSC)进行分析。扫描电镜显示,利用离子液体和DMSO混合溶剂重结晶能得到粒度分布均匀,颗粒较分散,形状较圆整的RDX晶体;用DMSO-C6mimBr混合溶剂重结晶得到的晶体质量要优于DMSO-[Emim]BF4和DMSO-[Bmim]Cl混合溶剂得到的晶体。DSC分析结果表明,采用DMSO-[Emim]BF4,DMSO-[Bmim]Cl,DMSO-C6mimBr混合溶剂重结晶后能提高RDX的纯度,用DMSO-C6mimBr混合溶剂重结晶得到的晶体热安定性高于DMSO-[Emim]BF4和DMSO-[Bmim]Cl混合溶剂得到的晶体。     

不同溶剂中黑索今的结晶与其力学性质分析

制备了三种黑索今晶体,第一种是由直接法制得的,其它两种是分别将第一种产品在丙酮和环己酮溶剂中重结晶得到的。试验并分析了这三种黑索今的机械性能。其中,环己酮重结晶黑索今具有最好的机械性能。数据对黑索今的应用具有一定意义。