微納米共晶含能材料的設計、制備及性能研究.pdf

1、高能含能材料HMX和CL-20具有較高的機械感度，如將其應用于武器彈藥配方中，武器的安全性將面臨極大的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外相關(guān)研究表明含能材料微納米和共晶技術(shù)都可有效降低其感度，提高其安全性。本論文以TNT、HMX、CL-20和TATB為基，采用一步法完成含能材料微納米化和共晶效應，制備出多種微納米共晶含能材料。重點考察了微納米共晶技術(shù)對含能材料機械感度和能量輸出性能的影響。研究對高能低感含能材料的發(fā)展具有一定的推進作用。研究的主要內(nèi)容如下。<

2、br>　　首先，通過分子動力學模擬軟件Materials Studio中的DMol3模塊分別計算TNT、HMX、CL-20和TATB的表面靜電勢能，基于其表面靜電勢能采用Forcite Plus模塊搭建HMX/TNT、CL-20/TNT、CL-20/HMX和HMX/TATB共晶含能材料模型，運用Polymorph Predictor模塊篩選出其最可能的共晶晶體結(jié)構(gòu)，并推測出形成共晶的主要驅(qū)動力。結(jié)果表明，HMX/TNT共晶最可能的晶體結(jié)

3、構(gòu)屬于單斜晶系，P21/c空間群;CL-20/TNT共晶最可能的晶體結(jié)構(gòu)屬于正交晶系，P212121空間群;CL-20/HMX共晶最可能的晶體結(jié)構(gòu)屬于單斜晶系，P21/c空間群;HMX/TATB共晶最可能的晶體結(jié)構(gòu)屬于正交晶系，Pna21空間群。HMX/TNT、CL-20/TNT和CL-20/HMX形成共晶的主要驅(qū)動力是范德華力，氫鍵起到協(xié)同作用。HMX/TATB共晶的主要驅(qū)動力是范德華力和氫鍵的疊加作用。
　　其次，通過噴霧干燥

4、法分別制備出微納米HMX/TNT、CL-20/TNT和CL-20/HMX共晶含能材料。采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、差示掃描量熱(DSC)和拉曼光譜(Raman)對其進行表征，并對其進行撞擊感度、摩擦感度和鋼凹值測試分析。結(jié)果表明，制得的HMX/TNT和CL-20/TNT共晶顆粒呈近球狀，HMX/TNT共晶顆粒粒徑在50～200nm，CL-20/TNT共晶顆粒粒徑在1μm以下，這兩種微納米共晶顆粒都團聚成粒徑在1μm到1

5、0μm的聚晶微球。制得的CL-20/HMX共晶顆粒呈厚度在100 nm左右片狀結(jié)晶，并且團聚成粒徑在0.5μm到5μm的聚晶微球。這三種微納米共晶含能材料具有不同于各自單一組分的晶體結(jié)構(gòu)和熱分解特性。HMX與TNT形成微納米共晶后的熱分解放熱峰溫與HMX相比降低3.67℃;TNT與CL-20形成微納米共晶含能材料后熔點較TNT提高55.78℃;CL-20與HMX形成微納米共晶含能材料后熱分解放熱峰溫與CL-20相比降低3.86℃。制得的

6、三種微納米共晶晶體中都存在分子間氫鍵C-H…O作用。在噴霧干燥法制備微納米共晶含能材料的基礎上，提出了“瞬時識別成核”結(jié)晶原理，兩種含能溶質(zhì)分子在共溶液噴霧干燥析出瞬間自動識別與組裝形成共晶晶核，并生長為微納米共晶粒子。此外，與原料HMX或者原料CL-20相比，形成微納米共晶含能材料后的撞擊感度和摩擦感度都大幅度降低。通過形成微納米HMX/TNT、CL-20/TNT和CL-20/HMX共晶含能材料可以分別提高各自混合物的能量輸出性能。<

7、br>　　最后，基于“機械力化學效應”原理，通過機械球磨法制備出微納米CL-20/HMX和HMX/TATB共晶含能材料。對其進行SEM、粒度、XRD、DSC和Raman表征，以及撞擊感度、摩擦感度和鋼凹值測試分析。得出機械球磨法制備微納米CL-20/HMX共晶含能材料的最佳工藝條件為:磨球尺寸0.1 mm;液料比10/1;轉(zhuǎn)速300 r·min-1;球料比20/1;球磨時間120 min。在上述最佳工藝條件下，制得的CL-20/HMX和

8、HMX/TATB共晶顆粒呈近球狀，粒徑分別在80～250 nm和82～435 nm。制得的兩種微納米共晶含能材料展現(xiàn)出不同于各自單一組分的晶體結(jié)構(gòu)和熱分解特性。微納米CL-20/HMX共晶含能材料的熱分解放熱峰溫分別比原料CL-20小約7℃。微納米HMX/TATB共晶含能材料的熱分解放熱峰溫比原料HMX低約3℃。形成微納米共晶后，熱穩(wěn)定性稍有降低。微納米CL-20/HMX和HMX/TATB共晶含能材料晶體中分別存在分子間氫鍵C-H…O和