一种新型CL-20/TKX-50共晶炸药的制备、表征和性能研究

为降低六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)的感度,通过溶剂-非溶剂法制备了CL-20和1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)共晶炸药;通过Materials Studio 5.0软件分析了CL-20和TKX-50分子的表面静电势,并预测了共晶分子间可能的非共价键作用;采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、红外(IR)和拉曼光谱(Raman)对其形貌和结构进行了表征;采用DSC测试了其热性能,并测试了其撞击感度,预测了其爆轰性能。结果表明,制备的CL-20/TKX-50共晶呈扁平的片状形貌;XRD、IR和Raman谱图中出现峰的生成、消失、偏移和强度的改变,证明有新的晶格结构形成;升温速率8℃/min下,CL-20/TKX-50共晶的主要热分解峰温为222.8℃,与CL-20、TKX-50的热分解峰温240.3、234.9℃相比,分别提前了17.5℃和12.1℃,明显区别于具有两个放热过程的CL-20/TKX-50混合物的热分解行为;CL-20/TKX-50共晶炸药的感度显著低于原料CL-20,同时也优于β-HMX,说明其具有良好的安全性能;CL-20/TKX-50共晶的预测爆速和爆压分别为9264m/s和43.8GPa,较CL-20均略微下降,但和β-HMX相比,爆轰性能明显提高。表面静电势能和建模分析均表明,CL-20中—NO2的O与TKX-50中—NH+3的H之间易于形成氢键。     

溶剂-非溶剂法CL-20/TATB共同结晶降低CL-20感度的实验研究

为了降低高能炸药六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW,CL-20)的机械感度,以DMSO为溶剂,水、水+离子液体、水+乙酸、水+乙酸+离子液体分别为非溶剂,对CL-20和钝感炸药TATB进行了共同结晶研究。采用溶剂-非溶剂法重结晶,制备得到CL-20/TATB共同结晶晶体,通过红外光谱、扫描电镜、热重-差热分析及撞击感度分析。分析表明,所得晶体为几百纳米到几微米、分散性良好的、多边形或圆形片状晶体,特性落高为26.5~36.5 cm,撞击感度显著降低。     

CL-20/HMX无规作用及共晶作用的理论计算

为了对比六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)/环四亚甲基四硝铵(HMX)炸药分子间的无规作用及共晶作用,基于密度泛函理论(DFT),在B3LYP方法上使用6-311++G(d,p)基组优化得到了4种CL-20/HMX无规构型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ),对4种无规构型的几何结构、静电势、能量及电子密度拓扑进行了分析;利用分子动力学方法计算了共晶结构中H原子和O原子的径向分布函数;计算了不同摩尔比CL-20/HMX共晶的密度及爆速。结果表明,4种CL-20/HMX的无规构型存在氢键相互作用,氢键键长在0.274 2~0.296 4nm之间;4种无规构型的稳定性排序为:ⅣⅢⅡⅠ,构型的稳定性主要取决于氢键的数量和键长;4种无规构型在键临界点BCP处的电子密度ρ(r)大小排序为:ⅣⅢⅡⅠ,CL-20和HMX分子之间不仅存在H…O以及H…N形式的氢键相互作用,还存在N…O和C…O形式的范德华作用;共晶结构中CL-20与HMX的相互作用主要有氢键和强范德华力,氢键键长为0.22nm;CL-20/HMX共晶(摩尔比2∶1)的理论密度为2.003g/cm~3,理论爆速为9 608m/s。     

绿色硝解合成六硝基六氮杂异伍兹烷

以2,6,8,12四乙酰基-2,4,6,8,10,12六氮杂四环[5．5．0．0^3.11．0^5.9]十二烷（TAIW）为原料,利用绿色硝化剂五氧化二氮在硝酸介质中硝解制得CL-20。该方法通过改变硝化剂,不仅避免使用浓硫酸,而且原子经济性高,具有良好的环境效益。用元素分析、红外光谱、核磁共振、质谱等对其结构进行了检测和表征,并探讨了反应温度和反应时间对CL-20产率的影响。实验结果表明,当反应温度为0℃,反应时间为1h时,CL-20的最佳产率达62％。     

CL-20/开口多壁碳纳米管复合含能材料的制备与性能

以开口多壁碳纳米管(SMWNTs)为原料,六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)为填料,采用超声吸入法制备CL-20/SMWNTs纳米复合含能材料;利用TEM、DSC-TG、XRD对样品进行表征,并对其进行激光点火试验。结果表明,CL-20晶粒填充到SMWNTs内部,填充部位在SMWNTs的端口,呈颗粒状排列。与纯CL-20相比,CL-20/SMWNTs纳米复合含能材料的起始分解温度由原来的239.6℃降至229.6℃,分解峰温也由原来的221.4℃降至173.6℃。CL-20/SMWNTs纳米复合含能材料光敏感性强,激光能量50W时可将其点燃。     

含CL-20、DNTF和FOX-12的CMDB推进剂的热分解

用PDSC研究了添加CL-20（或DNTF或FOX-12）的改性双基推进剂的热分解行为.发现PDSC曲线中CL-20、DNTF推进剂有两个放热峰,第一个为双基黏结剂的分解峰,第二个为CL-20或DNTF的分解峰.FOX-12改性双基推进剂只有一个分解峰,表明FOX-12和双基黏结剂（NC、NG等组分）一起分解.     

多种键合剂与CL-20界面的相互作用机理

选用4种键合剂对CL-20晶体进行包覆,通过X射线光电子能谱（XPS）和显微红外光谱（MIR）研究了包覆性能及其界面相互作用机理.结果表明,键合剂可以在CL-20表面形成一层粘附层以及键合剂与CL-20的NO2基团存在诱导效应,从而证明了键合剂对CL-20有良好的包覆性能.     

Span类表面活性剂对CL-20重结晶的影响

采用溶剂-非溶剂法重结晶CL-20,研究了溶剂-非溶剂体系中表面活性剂对CL-20晶体形貌的影响。用激光粒度仪、光学显微镜、红外光谱仪对重结晶CL-20的颗粒分布、形貌、晶型进行表征。结果表明,表面活性剂的种类、含量对CL-20的晶体形貌的影响较大,在以乙酸乙酯为溶剂、三氯甲烷为非溶剂、温度20℃、非溶剂稀释速度0.2~0.25mL/min、搅拌速度100r/min的转晶体系中,添加Span60使CL-20晶体颗粒生长形状趋近球形,表面光滑,颗粒均匀。     

LLM-105/CL-20基高能钝感PBX的制备与性能表征

为满足含能材料高能钝感的要求,以CL-20为主体炸药,LLM-105为钝感剂,采用溶液水悬浮法制备了LLM-105质量分数分别为10%、20%、30%的3种LLM-105/CL-20基PBX。通过扫描电子显微镜(SEM)、粉末X射线衍射仪(PXRD)和差示扫描量热仪(DSC)对样品的形貌、晶体结构和热性能进行表征,并测试其机械感度;采用EXPLO5软件计算了其爆轰参数。结果表明,LLM-105/CL-20基PBX样品呈类球形,颗粒密实,粒径约为500μm;PBX中各组分的晶体结构未发生改变;3种配方的热安定性都较好,且随着钝感剂LLM-105含量的增加,LLM-105/CL-20基PBX的热爆炸临界温度呈递增趋势;与原料CL-20相比,3种LLM-105/CL-20基PBX的特性落高分别提高了25.88、33.68、37.18 cm,摩擦爆炸概率分别下降29%、38%、45%;LLM-105质量分数为10%的LLM-105/CL-20基PBX的特性落高与PBX-9501相当,而LLM-105质量分数为20%和30%的LLM-105/CL-20基PBX分别比PBX-9501高16.6%和25.12%;理论爆速分别高381.76、279.2、82.03 m/s。3种配方LLM-105/CL-20基PBX炸药的爆轰性能明显优于PBX-9501。     

含CL-20 NEPE推进剂的力学性能

采用光电子能谱(XPS)和显微红外光谱(M IR)研究了4种键合剂(M APO,22#,HX-752,T 313)与CL-20的相互作用。结果表明,键合剂可以作为CL-20的包覆剂;由于海因和三聚异氰酸酯键合剂(22#)的环状结构以及具有较多的极性基团,对CL-20的包覆性最好。含CL-20的NEPE推进剂力学性能测试结果表明,22#键合剂对提高含CL-20的NEPE推进剂体系的力学性能非常有利,其拉伸强度和断裂延伸率均有较大的提高,分别增加了18.8%和103.4%。