构筑导电界面降低炸药静电和机械感度的技术研究

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随着军事和武器弹药的发展,高能低感的炸药的研究一直是一个既传统又重要的研究热点。纳米含能材料为新型高能量,高反应性的含能材料的发展带来了机遇,具有广阔的应用前景。然而,如何防止炸药颗粒减小到机械感度较低的纳米尺度时静电感度的急剧升高是目前难以解决的棘手问题。为了在保持纳米炸药能量优势的前提下综合提升纳米炸药在应用中的多方面安全性能,本研究基于导电聚合物材料和碳材料,利用简单的原位聚合包覆和超声辅助包覆方法,制备了几种新型的硝胺炸药/聚吡咯复合物和硝胺炸药/炭黑复合材料,并且采用各种表征手段对几种复合物的形貌结构和组成以及热分解性能和安全性能进行了表征,探讨了复合材料的多方面降感机理。主要研究内容包括以下几个方面:(1)通过原位聚合技术在纳米CL-20和HMX炸药表面构建多功能导电聚合物PPy包覆层,制备了核壳结构六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)@聚吡咯(PPy)复合材料和奥克托今(HMX)@聚吡咯(PPy)复合材料,实现了对纳米CL-20和HMX的多方面降感。当吡咯(Py)的含量在1.3 wt%左右时,能在纳米CL-20和HMX颗粒表面原位聚合形成连续的PPy壳层,它一方面能作为炸药颗粒表面积累电荷耗散的通路,使CL-20@PPy和HMX@PPy复合材料的静电火花感度分别降低至1.44 J(CL-20:0.83 J)和2.98 J(HMX:1.46 J)。另一方面,壳层的PPy能够作为对外界撞击和摩擦等机械刺激的缓冲系统,通过阻隔和缓冲作用在受到外部冲击应力时消散冲击能量,使CL-20@PPy和HMX@PPy复合材料的撞击感度分别降低至44 cm(CL-20:13 cm)和65 cm(HMX:35 cm);同时,利用PPy能在缺陷处聚合的特点降低热点形成的几率,使CL-20@PPy和HMX@PPy复合材料的摩擦感度分别降低至84%(CL-20:100%)和52%(HMX:80%)。包覆PPy后,CL-20的分解峰温度降低了14.47℃,转晶峰升高了22.19℃;而HMX的分解峰温度降低了5.10℃,转晶峰升高了32.10℃。(2)通过一种简单的超声合成方法高效地制备了兼具更低的机械感度和静电感度的纳米复合含能材料,将具有导电性能的纳米炭黑沉积在经过0.5 wt%热塑性聚氨酯(Estane5703,后文简称Estane)或1 wt%聚多巴胺(PDA)修饰的纳米CL-20和HMX颗粒表面,获得了CL-20@Estane@C,CL-20@PDA@C,HMX@Estane@C和HMX@PDA@C复合材料。形貌和结构的分析结果表明,碳纳米微球成功包覆在纳米CL-20和HMX颗粒表面形成了核壳结构复合材料。与Estane相比,PDA对纳米炸药颗粒具有更好的分散作用,并且使复合材料表面碳纳米微球分布更加均匀。形成复合材料不会改变两种纳米炸药的晶型。所制备的CL-20@Estane@C,CL-20@PDA@C,HMX@Estane@C和HMX@PDA@C复合材料的机械安全性能和静电安全性能与原料纳米CL-20和HMX相比均有显著改善。相比于Estane5703,PDA对于两种硝胺炸药具有更好的提升热稳定性的作用。经PDA修饰并包覆碳纳米微球(约3 wt%)后,CL-20的分解峰温降低了4.93℃,转晶峰温延迟了4.28℃;HMX的分解峰温降低了2.29℃而转晶峰温延迟了1.55℃。利用导电聚合物或碳纳米材料在纳米炸药表面构建多功能层,可以作为对机械刺激和静电放电的钝感剂,是开发更安全的纳米粉体的重要一步。
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