CL-20系列炸药共结晶与分相结晶竞争机制研究

发布时间：2020-11-16 21:50

　　 六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)是目前能量最高的单质炸药之一,以其优良的氧平衡、爆速、爆压以及热稳定性被认为是最具潜力取代目前军用主炸药HMX的高能炸药,但由于其较高的撞击感度以及昂贵的生产成本,严重限制了其应用前景。共晶技术在含能领域的成功应用为CL-20的降感研究提供了新的方向。经过研究者的不懈努力,虽然几种性能优异的CL-20基共晶被成功制备,但共晶的形成机理并没有得到研究者的广泛重视,从而导致含能共晶发展较为缓慢。本论文就共晶研究过程中出现的共晶制备方法以及共晶设计理论等问题开展了共晶形成机理的相关研究。本论文的主要内容如下:1.利用SEM,XRD定性和定量分析系统的探究了有水和无水条件下CL-20/HMX共晶的形成过程,结果发现CL-20/HMX共晶的形成过程中经历了明显的CL-20和HMX分相结晶以及由分相结晶向共晶相转化的热力学平衡过程,而水分子的存在只改变了共晶的形成过程,但没有影响共晶的形成结果。此外,二次成核产生的细小晶核被证明是由CL-20和HMX分相结晶向CL-20/HMX共晶转化的关键因素。本实验还通过微溶介质转化实验以及热力学计算等手段证明了该形成机理的可靠性。2.通过探究在不同溶剂体系以及结晶速率下CL-20/TNT共晶的形成过程,发现改变溶剂体系以及结晶速率可以调整溶质的成核顺序进而影响共晶形成过程。成核浓度以及介稳区宽度是改变溶质成核顺序的关键因素。3.在上述共晶形成机理研究中发现成核顺序是共晶形成过程的主要影响因素,共晶优先于组分成核是最理想的成核顺序,而在组分优先成核的情况下可以通过加快二次成核速率来促进分相结晶向共晶相转化。基于此结论,此实验设计并通过旋转蒸发仪获得了快速结晶产物CL-20/TNP共晶,并借助PXRD、FT-IR、SSNMR和TG-DSC等方法对该共晶的晶体结构进行了表征。此研究揭示了共晶在溶液中形成的影响因素,有利于更好地理解共晶的形成机理。4.除此之外,本实验尝试在高温条件下制备共晶。但由于实验条件有限等原因,并没有得到理想的结果,这将成为对共晶下一步研究的重点。
【学位单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ560.1
【部分图文】：

1 绪论炸药是武器装备的能量载体，也是制约武器装备生存能力的薄弱环节而对于现有的通用炸药，如 1,3,5-三硝基甲苯（TNT）、1,3,5-三硝基-1,三氮杂环己烷（RDX）及 1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷(HMX)为适用于所有武器，但它们所填装的弹药在受到撞击或冲击时引发的船舶飞行器或火车爆炸事故接连发生。例如 1967 年，美国 Forrestal 航空母舰枚机载火箭意外点火引起了严重的火灾和军械库爆炸事故，导致134人死161 人受伤以及 21 架飞机彻底毁坏，43 架严重受损的后果（图 1-1）；此1969 年 Oriskany 航母和 1981 年 Ninitz 也发生过类似的弹药意外爆炸事造成不同程度的人员和经济损失[1]。面对一次次严重的教训，研究高能量度炸药成为适应现代战争的必要条件，也成为火炸药领域工作者们的一个大科研挑战。只有研制和开发性能优越的钝感高能炸药，才能为设计高安性、低易损性的武器提供必要的条件。

但炸药的能量和安全性之间一直以来存在着难以调和的矛盾(图1-2)，综合考虑它们能量和安全性以及成本等因素，其应用前景均受到了约束，因此合成新型低感度高能量密度炸药的研究面临着巨大的挑战。图 1-2 含能分子能量和安全性之间存在固有矛盾Fig. 1-2 The inherent contradiction between energy and safety of energetic molecules由此可见，通过设计和合成新型的炸药分子是一种最直接的从根本上解决炸药的能量和安全性之间矛盾的方法，但由于炸药分子综合性能的不可预知性使得设计和合成新型的高能顿感炸药分子显现出效率低，周期长等弊端。为此，对现有高能炸药的改性研究显得尤为重要。

西南科技大学硕士研究生学位论文 第12页形成较强的 π–π 堆积相互作用，因此在分子堆积和排列上呈现出近似于平的层状结构，而 TNB、CL-20 属于多硝基芳香化合物，其硝基可以与 TNT 苯环产生较强的 p–π 堆积和氢键相互作用，不同晶体结构中显示出不同的子间相互作用力协同作用，因此晶体中分子的堆积和排列方式也发生了改变多呈现锯齿状的形式排列。
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本文编号：2886710