TNT共晶炸药的制备、表征与性能研究

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2,4,6-三硝基甲苯(TNT)是当前最常用的含能材料之一,由于其合成流程简单,成本低,而且感度低安全性能好,故以TNT为基的熔铸炸药在弹药领域普遍使用。但是,TNT跟现今高能炸药相比具有相对较低的密度,爆轰性能也比较差,不能够很好地满足现如今武器对炸药高能的需求。目前,共晶技术已逐步成为构筑新型含能材料并调控其性能的一种新策略,对含能材料的发展具有重要意义。本文为了提高TNT能量,拓宽其在含能材料领域的应用范围,采用共晶技术将TNT与结构类似且具有较高能量的炸药1-氯-2,4,6-三硝基苯(TNCB)和2,4,6-三硝基苯(TNB)在分子水平上相结合,在保持TNT低熔点与低感度特性的基础上,制备得到综合性能优于TNT的两种共晶炸药,为今后高能、低感及低熔点炸药分子的设计制备提供了新思路、新方法。论文主要工作如下:(1)采用理论与经验相结合的方法,以及对主体炸药TNT结构与性能特点的分析,基于氢键、卤键等分子间相互作用的判断设计出了两种TNT基共晶炸药——共晶TNT/TNCB和共晶TNT/TNB。采用溶剂挥发法,以无水乙醇作溶剂,制备得到TNT/TNCB和TNT/TNB两种共晶炸药。(2)采用单晶X射线衍射分析仪对TNT/TNCB和TNT/TNB两种共晶炸药分析表明,两者都以摩尔比1:1相结合,都属于单斜晶系,P21/c空间群。其中TNT/TNCB为淡黄色柱状结晶,其分子式为C13H7ClN6O12,分子量为474.7,密度为1.743 g/cm3。TNT/TNB共晶炸药为浅棕色短柱状结晶,其分子式为C13H8N6O12,分子量为440.25,密度为1.646 g/cm3。由于TNCB与TNB结构类似,故两种共晶晶体内部均呈现出双层TNT分子与双层配体分子交替出现的波浪形堆积模式。共晶晶体内主要存在C–H???O型氢键、-NO2与苯环间的p-π相互作用及苯环间π-π相互作用。此外,在TNT/TNCB共晶内部还存在C–Cl???O键的作用。这些分子间作用力的共同作用使共晶结构得以稳定存在。(3)采用差示扫描量热仪对两种共晶炸药的热性能进行表征分析,结果显示,TNT/TNCB、TNT/TNB两个共晶的熔点分别为72.7℃和67.9℃,均低于纯组分TNT(81.3℃)、TNCB(84.1℃)及TNB(119.5℃)。该结果表明,通过共晶技术,可以获得熔点均低于纯组分的共晶炸药,这为目前爆轰性能优良但熔点稍高的炸药应用于熔铸炸药提供了可能性。(4)采用落锤撞击测试装置对两种共晶的撞击感度进行了测试,测试结果表明,TNT/TNCB共晶炸药的特性落高(h50)为92.9 cm,低于两纯组分TNT(83.5 cm)和TNCB(59.6 cm),表明共晶炸药感度优于原料,安全性得到了很大提高;TNT/TNB共晶炸药的h50为112.2 cm,介于两纯组分TNT(83.5 cm)和TNB(118.9 cm)之间,但与TNT相比,感度大幅度降低。(5)采用理论计算的方法对共晶炸药的爆轰性能进行了预测,结果显示,TNT/TNCB共晶的爆速为6837 m/s,爆压为21.08 GPa;TNT/TNB共晶的爆速为6961m/s,爆压为20.87 GPa;较主体炸药TNT(6670 m/s,19.24 GPa)均有提高。这表明通过共结晶技术,炸药爆轰性能也得到了很大改善。
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