高能晶体撞击感度理论研究——第一性原理带隙(ΔE_g)判据

概述了运用量子化学第一性原理密度泛函理论方法系统计算研究高能晶体能带结构的近期结果。发现对于结构或热解机理类似的系列高能晶体,其带隙(ΔEg)越小则撞击感度越大。撞击感度的带隙理论判据,对于离子型或分子型晶体,对于同一化合物的不同晶型,以及在不同压力和掺杂条件下,均具较好适用性。     

含能晶体中分子间相互作用的特点及其启示

分子是含能晶体"大厦"中的"砖",分子间相互作用就是这些"砖"间的"粘合剂"。因此,分子间相互作用是认知与设计含能晶体的出发点和基础。本文评述了含能晶体中分子间氢键、卤键和π-π堆积作用及其对分子堆积模式、撞击感度与热安定性的影响。含能晶体中分子间相互作用通常表现出的特点和启示如下:(1)低感高能晶体有比高感高能晶体更强的氢键作用;(2)面-面π-π堆积是最有效的造就低撞击感度的分子堆积模式;(3)增强分子间相互作用及其各向异性是一项重要的改善撞击感度的晶体工程策略;(4)一味地增强分子间氢键可能导致晶体的热安定性变差。此外,分子间相互作用的准确描述与热力作用下的演化规律是今后研究的重点。     

不同温度下PETN晶体感度判别和力学性能预测的MD研究

为从理论上寻求典型硝酸酯炸药太安（ PETN）晶体的感度判据和力学性能,在NPT系综下,用COMPASS力场对PETN （4×3×4）超晶胞和沿其（100）晶面切割的两种模型,实施了5个温度（195,245,295,345,395 K）的周期性分子动力学（MD）模拟。结果表明,随温度升高,它们的引发键O-NO2的最大键长（ Lmax ）递增,引发键连双原子作用能（ EO-N ）和内聚能密度（CED）递减,与感度随温度升高而增大的实验事实相一致。 Lmax、EO-N和CED在一定条件下,确可用作高能物质热和撞击感度相对大小的理论判据。随温度升高,弹性系数与弹性模量递减,刚性减小,柔性递增,符合实验事实,表明,以切割分面模型进行MD模拟能获得较符合实际的确定结果。     

中性硝基分子几何形状与晶体特性的关联性

含能晶体堆积结构是影响其感度的重要因素之一,通过晶体中分子层间滑移来缓冲外界刺激是降低含能材料感度的重要机制。为了更好地设计低感高能分子, 理解分子的几何形状与其晶体特性的内在关系十分重要。研究以剑桥晶体数据库中的CHNO类中性硝基分子为样本,采用假设检验方法（包括Z检验、t检验和χ²检验）研究了分子的几何形状与其晶体密度、堆积系数及可滑移性之间的关联性。结果表明,在球形、平面和线形分子中,球形分子有最高的晶体密度和堆积系数,但晶体可滑移性较弱;平面度高的平面形分子通过高堆积系数可获得与球形分子相当的晶体密度,同时平面形分子的晶体可滑移性较强,其χ²检验的置信度接近1;线形分子则不如前两者。虽然存在某些高晶体密度和堆积系数的含能晶体不具有可滑移的层状堆积结构,但整体而言,可滑移晶体的晶体密度和堆积系数均比不可滑移晶体大,其Z检验与t检验的置信度均大于0.95,表明通过设计易于发生分子层间滑移的晶体结构来降低其感度与提升晶体密度并不矛盾。平面形分子晶体密度一般较高,与晶体可滑移性强相关,是设计低感高能分子的首选。     

炸药分子和晶体结构与其感度的关系

归纳总结了炸药分子和晶体结构与其感度之间的关系:从分子结构中获得的炸药感度的理论判据,如硝基电荷、取代基间相互作用能、吸电子力、键离解能、键级、前线轨道能级差、键中点静电势和核磁共振化学位移;以及晶体中的各向异性、π-堆积结构和氢键对感度的影响作用。另外,还指出从介观尺度上探讨炸药的感度机制是今后的方向。     

高能炸药摩擦感度研究进展

摩擦感度是评价高能炸药安全性能的一项关键指标。从摩擦引发炸药点火的机制出发,探讨了摩擦感度的影响因素,提出理论预测是以后研究的新型手段,并介绍了降低摩擦感度的几种工艺技术。特别强调了摩擦感度的降低对提升炸药安全性能具有重要意义,设计新型低感高能配方和优化炸药加工包覆工艺是未来降感的研究热点。     

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。     

含能晶体危化品降感研究进展

为提高含能晶体危化品的安全性,简述了含能晶体危化品高感度的原因及危害,综述了提高晶体品质、制备共晶、添加钝感剂及钝感包覆等降感实验方法的研究现状,以及理论计算方法应用于含能晶体危化品降感研究的发展现状。基于此,认为影响含能晶体危化品感度的本质原因是分子间相互作用;通过实验方法进行降感研究成本高、周期长、危险性大且表征手段具有局限性;通过量子化学计算和分子动力学模拟等手段,从微观层面上建立分子间相互作用、晶体结构及感度之间的关系,指导设计新型低感度含能晶体,将是发展所趋。     

固体推进剂安全性能影响因素的灰色关联分析

采用灰色关联分析方法,从NEPE推进剂的配方组成、结构角度计算了固体推进剂撞击感度、摩擦感度及火焰感度等多项感度的灰色关联度。通过灰色关联度的对比分析,给出了各感度的主要影响因素及影响因素顺序。配方组成研究结果表明增塑比是影响高能固体推进剂摩擦感度、局部热感度的最主要因素,HMX含量是影响冲击波感度、5 s爆发点最主要的因素,固体含量是影响撞击感度、静电火花感度、火焰感度的最主要因素;结构研究结果表明铝粉粒度是影响高能固体推进剂摩擦感度、火焰感度、5 s爆发点的最主要因素;AP粒度是影响局部热感度、静电火花感度最主要的因素;HMX粒度是影响撞击感度的最主要因素。     

ADN高能固体推进剂的吸湿性

采用平衡器、高效液相色谱、水接触角和机械感度等方法研究ADN及改性ADN基高能固体推进剂的吸湿规律和感度特性。研究结果表明,ADN基高能固体推进剂样品具有较强的吸湿性,25 ℃,相对湿度75%下吸湿72 h后,增重率达9%,且样品表面出现大量含ADN的液滴;而改性ADN基高能固体推进剂的吸湿性显著降低,增重率仅为0.3%,无液滴出现,主要原因是改性ADN与水的接触角显著增加,由改性前8°增加至78°,降低了ADN与空气中水分子的吸附作用。改性ADN基高能固体推进剂的撞击感度和摩擦感度明显改善,临界撞击能由改性前8.1 J提高至14.3 J,摩擦感度由60%降低至32%,这为ADN在固体推进剂中的应用奠定了一定的基础。     

国外对钝感推进剂的研究

阐述了研制钝感推进剂的必要性。综述了国外研制钝感推进剂的主要技术途径有：采用低感度的高能粘合剂或含能增塑剂；采用低感度的硝胺化合物；用新型高能氧化剂，如二硝酰胺铵盐ＡＤＮ、ＣＬ－２０或无相转变硝酸铵（ＡＮ）氧化剂代替ＡＰ和ＨＭＸ及其它可能的钝感技术。重点介绍了国外用烃酯类增塑剂降低推进剂感度的研究。     

含DAAzF的HMX基低感高能炸药研究

采用钝感炸药3,3′-二氨基-4,4′-偶氮呋咱(DAAzF)作为添加剂,设计了含DAAzF的奥克托今(HMX)基压装低感高能炸药配方,研究了配方的机械感度、冲击波感度、热安定性和爆轰性能.结果表明,细颗粒DAAzF能降低HMX的机械感度.在HMX基炸药中加入5%的DAAzF,可以得到一类爆速8650m·s-1以上、撞击感度低至0%且热性能好的压装型低感高能炸药.     

钝感高能炸药撞击感度测试方法的探讨

本文报道了用于测试钝感高能炸药（ＩＨＥ）撞击感度的撞击装置及ＩＨＥ等炸药的５０％爆炸特性落高的试验结果。结果表明，该撞击装置不仅可以比较合理地区分出很多用标准撞击装置无法分开的钝感高能炸药的撞击感度次序，也可以测出许多敏感炸药的撞击感度。     

高能钝感混合炸药的研究进展及发展趋势

针对武器弹药因为意外点火造成的弹药自爆等问题,对高能钝感混合炸药及其发展趋势进行了研究。以装药方式分类,详细介绍国外压装型、熔注型和浇注性高能炸药在高能钝感主题下所取得的最新研究成果,并提出了混合炸药今后的发展趋势以及提高炸药能量、降低感度的有效途径。该研究为武器弹药生产满足感度低、能量高、成型工艺性好等要求提供了参考,使之更能适应高强度战场环境的变化。     

改性双基推进剂冲击波感度研究

采用隔板试验法研究了改性双基推进剂配方组成、所含高能炸药RDX粒度、粒度级配等因素对其冲击波感度的影响。研究结果表明,含有NG和RDX等组分的改性双基推进剂具有较高的冲击波感度,当配方中的敏感组分NG和RDX被不敏感的增塑剂TMETN和感度较低的高能量密度材料FOX-7全部取代时,隔板值由41.4mm降至16.5mm,降幅达60%;同时,粗细粒度高能炸药按一定比例级配使用有利于降低推进剂冲击波感度,粗细颗粒质量比为3:1时,降感效果最佳,隔板厚度降低5.3%。     

堵孔钝感高能叠氮硝胺发射药的性能

为了解决高能叠氮硝胺发射药燃烧渐增性欠佳及低温感效果较差的问题,采用高分子复合材料堵孔和含能复合材料钝感的两步法工艺,制备了3种内孔被高分子复合材料形成的“塞子”封堵、表面被钝感的钝感高能叠氮硝胺发射药(本研究称之为堵孔钝感发射药)。采用爆热和密闭爆发器试验,研究了堵孔钝感发射药的能量性能及静态燃烧性能。结果表明,与空白药相比,随着堵孔材料及钝感材料含量的增加,3种堵孔钝感发射药WCBF-1/18、WCBF-2/18和WCBF-3/18的爆热分别下降2.6%、3.6%和4.3%,燃烧渐增性增强且燃烧渐增性因子Pr值由0.471分别提高到0.552、0.563和0.576。3种堵孔钝感发射药WCBF-1/18、WCBF-2/18和WCBF-3/18的高温相对燃烧活度温度系数的绝对值均值分别为2.87%、1.89%和1.56%,相较于空白药均有所下降,表明堵孔钝感发射药高常温区间内低温感效果好。     

关于高能钝感炸药专辑的征稿

高能钝(低)感炸药一直以来是含能材料领域研究重点之一,为促进高能钝(低)感炸药在火炸药、推进剂等领域的应用研究,本刊拟于2006年10月(第5期)组织出版《钝感炸药研究论文专辑》。专辑内容涉及钝(低)感炸药的合成、配方、性能测试与表征、工艺与相关技术研究,及其应用和发展方向。欢迎科研工作者来稿,来稿请注明“高能钝感炸药研究论文专辑”。关于高能钝感炸药专辑的征稿     

不同晶形ANPZO晶体制备与表征研究

为了研究不同结晶形貌ANPZO炸药晶体性能,以满足不同用途需要,采用结晶控制技术制备出3种不同结晶形貌ANPZO晶体,利用SEM对其晶体形貌进行表征并测试其感度、压药成型性及爆速.结果表明:针状ANPZO撞击感度较高,爆炸概率为85％,微球形ANPZO摩擦感度高达92％,而3种晶形的ANPZO冲击波感度值较低;此外,立...     

多组分高能复合体系的感度判据、热膨胀和力学性能的MD研究

为研究固体推进剂的感度、热膨胀和力学性能,设计了不同配比、不同温度下的多组分高能模型体系进行分子动力学(MD)模拟。用其中易爆燃组分引发键的最大键长(Lmax)判别安全性,结果表明,在4种不同配比的五组分混合体系中,当质量比(PEG/NG/BTTN)∶AP∶HMX=2.5∶3.5∶2.3时,各引发键(O—N和N—N)的最大键长均为最大,预示该体系的安全性相对较差;(PEG/NG/BTTN)/AP/HMX/Al六组分混合体系中各Lmax值均随温度升高而单调递增,与感度随温度升高的实验事实一致。表明对复杂多组分体系热和撞击感度的相对大小,亦可用Lmax判别。基于六组分体系的MD模拟结果,预估了该体系在不同温度下的热膨胀系数,并用静态力学分析求得其弹性力学性能,该体系的柯西压为正值,其延展性较好。     

降感CL-20的制备及性能研究

炸药晶体的内部缺陷、表面光滑程度、晶体外形、颗粒大小及分布等对感度有重要影响.普通六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）晶体的内部缺陷较多、表面粗糙、外形呈梭子状、粒度分布较宽等因素导致其感度偏高,研究改善普通CL-20的晶体品质以降低其感度,对研究以CL-20为基的混合炸药配方、工艺和应用具有重要意义.