具有降感特性纳米硝胺炸药的可控制备及应用基础研究

发布时间：2017-05-15 21:32

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【摘要】：硝胺类炸药(环三亚甲基三硝胺(RDX)、环四亚甲基四硝胺(HMX)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20))具有较高的爆热、爆速和爆压,爆轰性能比较优异,可广泛应用于混合炸药和固体推进剂中,对保证高新武器系统实现“远程精确打击、高效高能毁伤”十分有利。然而,工业微米级RDX、HMX和CL-20的摩擦、撞击和冲击波感度都较高,在研制、生产、贮存、运输以及使用过程中经常会由于受到外界能量刺激而引发意外的燃烧或爆炸,造成重大的经济损失,甚至人员伤亡；因此,需对它们进行降感处理,以提高使用稳定性和安全性。本课题基于纳米化降感思路,采用南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心发明的HLGB-10型粉碎机,可控制备纳米RDX、HMX和CL-20,并对纳米硝胺炸药的性能、硝胺炸药纳米化降感机理、纳米RDX/HMX在压装型PBX混合炸药和纳米RDX在改性双基推进剂中的应用进行了研究。具体研究内容如下：首先,基于“微力高效精确施加”粉碎原理,采用HLGB-10型粉碎机,通过控制合适工艺参数成功制备出了颗粒尺寸在60nm左右、呈类球形、粒度分布范围很窄的纳米硝胺炸药(RDX、HMX和CL-20)。提出了“膨胀撑离”防团聚原理,研究了分散液体和干燥方式对纳米硝胺炸药干燥效果的影响,确定了适合于纳米硝胺炸药的干燥条件与参数。同时,对纳米硝胺炸药的化学纯度、晶型结构、分子结构、热分解特性、安定性和感度进行了研究,结果表明：纳米硝胺炸药的化学纯度很高,由粉碎系统引入的杂质极少,晶型结构和分子结构在纳米化过程中未发生改变。与工业微米级硝胺炸药原料一致；纳米硝胺炸药的热分解表观活化能比工业微米级硝胺炸药原料偏低；在100℃下,纳米硝胺炸药和工业微米级硝胺炸药原料的热稳定性一致；与工业微米级硝胺炸药原料相比,纳米硝胺炸药的摩擦、撞击和冲击波感度分别降低20%、40%和50%以上,安全性大大提高。其次,分析研究了硝胺炸药纳米化降感机理。基于热点理论,结合硝胺炸药纳米化粉碎过程中其晶体颗粒本身尺寸、形貌、晶体完整性等因素变化的规律和趋势,研究硝胺炸药在摩擦、撞击和冲击波等外界刺激作用下形成热点并进一步引发爆炸的几率随这些因素的变化规律,从宏观理论和微观分解能量两个方面分析研究并阐述了硝胺炸药纳米化降感机理。在宏观方面,分析研究了硝胺炸药在外界刺激作用下内部所形成的热点其温度随颗粒尺寸、形貌、塑性屈服强度等因素的变化规律,结果表明：硝胺炸药内部形成的热点其温度随颗粒尺寸减小和比表面积的增大而降低,随塑性屈服强度Py的增大而降低。由于纳米硝胺炸药颗粒尺寸小,比表面积大,散热速率快；内部缺陷少,晶体完整性高,塑性屈服强度大；在外界刺激作用下产生的热点其温度较低,因而表现为摩擦、撞击和冲击波感度降低。在微观分解能量方面,首先提出了“临界电子激发能”的概念,实测表征并计算出了不同尺寸硝胺炸药颗粒的临界电子激发能,模拟出了临界电子激发能随颗粒尺寸的变化规律曲线,结果表明：硝胺炸药的临界电子激发能随颗粒尺寸的减小呈现先减小后增大的趋势,临界粒径在10μm左右；硝胺炸药纳米化后,临界电子激发能显著提高,对外界能量刺激的稳定性增强,所形成的热点其温度将降低,进而表现为摩擦、撞击和冲击波感度降低。总的来说,硝胺炸药纳米化降感的机理可归因于纳米硝胺炸药的小尺寸效应,密实效应和表面效应,以及它们之间的综合协同效应。第三,研究了纳米RDX在压装型PBX混合炸药中的应用。突破了纳米RDX基聚黑(JH)炸药的制备工艺技术,所制备的造型粉合格品率在99.5%以上,主要分布在60-30目之间。同时,研究了纳米RDX基JH炸药的组分含量、热分解特性、安定性、微观结构、力学性能、感度和爆炸性能。结果表明：纳米RDX在JH炸药制备过程中不流失,混合炸药中各组分含量与配方中各组分对应的投料量一致。与工业微米级RDX基JH炸药相比,纳米RDX基JH炸药的热分解峰温提前,表观活化能减小约1.9%,为127.1kJ·mol-1；在100℃下,二者安定性一致；纳米RDX基JH炸药的微观结构更加密实；当装药密度为1.68g·cm3时,纳米RDX基JH炸药比工业微米级RDX基JH炸药的抗压强度提高91.8%,压缩率增大39.7%；摩擦、撞击和冲击波感度分别降低21.1%、55.4%和13.6%,安全性大大提高；并且,纳米RDX基JH炸药对撞击或冲击波作用的起爆稳定性更好,爆炸性能相当。第四,研究了纳米HMX在压装型PBX混合炸药中的应用。突破了纳米HMX基聚奥(JO)炸药的制备工艺技术,所制备的造型粉合格品率在99.5%以上,主要分布在60-30目之间。同时,研究了纳米HMX基JO炸药的组分含量、热分解特性、安定性、微观结构、力学性能、感度和爆炸性能。结果表明：纳米HMX在JO炸药制备过程中不流失,混合炸药中各组分含量与配方中各组分对应的投料量一致。与工业微米级HMX基JO炸药相比,纳米HMX基JO炸药的热分解峰温提前,表观活化能减小约3.6%,为358.1kJ·mol-1;在100℃下,二者安定性一致；纳米HMX基JO炸药的微观结构更加密实；当装药密度为1.71g·cm-3时,纳米HMX基JO炸药比工业微米级HMX基JO炸药的抗压强度提高272.6%,压缩率增大32.6%；摩擦、撞击和冲击波感度分别降低30.0%、48.0%和24.4%,安全性大大提高；并且,纳米HMX基JO炸药对撞击或冲击波作用的起爆稳定性更好,爆炸性能相当。第五,研究了纳米RDX在低固含量改性双基推进剂(推进剂中固体含量小于30%,本文所研究的推进剂中RDX含量为18%,简称其为GHD推进剂)中的应用。采用螺压工艺,通过吸收、脱水、混同、压延、塑化、成型等工序,制备了含10%纳米RDX的低固含量改性双基推进剂(10%纳米RDX取代GHD推进剂),并对其组分含量、热分解特性、安定性、微观结构、力学性能、感度和燃烧性能进行了研究。结果表明：当纳米RDX应用于低固含量改性双基推进剂中,纳米RDX在推进剂加工过程中不流失,其含量与配方中RDX的投料量一致。与未取代GHD推进剂相比,10%纳米RDX取代GHD推进剂的热分解峰温提前,表观活化能减小约4.8%,为164.2kJ.mol-1;在120℃下,二者安定性一致；10%纳米RDX取代GHD推进剂的微观结构更加密实,当密度为1.66g·cm-3时,在高温下抗拉强度提高37.4%,伸长率增大16.1%；在常温下抗拉强度提高27.5%,伸长率增大19.4%；在低温下抗拉强度提高26.7%,伸长率增大39.6%；摩擦感度和撞击感度分别降低51.3%和50.4%,安全性大大提高；在8-18MPa范围内,在20℃下的燃速系数从8.692增大至10.950,提高26.0%,压强指数从0.384减小为0.299,降低22.1%,燃烧性能明显改善。最后,研究了纳米RDX在高固含量改性双基推进剂(推进剂中固体含量大于30%,本文所研究的推进剂中RDX含量为48.5%,简称其为GHG推进剂)中的应用。采用螺压工艺,通过吸收、脱水、混同、压延、塑化、成型等工序,制备了含20%纳米RDX的高固含量改性双基推进剂(20%纳米RDX取代GHG推进剂),并对其组分含量、热分解特性、安定性、微观结构、力学性能、感度和燃烧性能进行了研究。结果表明：当纳米RDX应用于高固含量改性双基推进剂中,纳米RDX在推进剂加工过程中不流失,其含量与配方中RDX的投料量一致。与未取代GHG推进剂相比,20%纳米RDX取代GHG推进剂的热分解峰温提前,表观活化能减小约6.0%,为144.3kJ·mol-1;在120℃下,二者安定性一致；20%纳米RDX取代GHG推进剂的微观结构更加密实,当密度为1.75g·cm-3时,在高温下抗拉强度提高32.6%,伸长率增大25.2%；在常温下抗拉强度提高25.4%,伸长率增大46.9%；在低温下抗拉强度提高17.5%,伸长率增大23..7%；摩擦感度和撞击感度分别降低50.0%和27.3%,安全性大大提高；在6-16MPa范围内,在20℃下的燃速系数从6.139增大至8.405,提高36.9%,压强指数从0.463减小为0.363,降低21.6%,燃烧性能明显改善。本课题基于“微力高效精确施加”粉碎原理,采用机械粉碎法成功可控批量制备了纳米RDX、HMX和CL-20；提出了“膨胀撑离”原理,结合相关技术有效地防止了纳米硝胺炸药团聚长大；提出了“临界电子激发能”概念,阐述了硝胺炸药纳米化降感机理；突破了纳米硝胺炸药在压装型PBX炸药和CMDB推进剂中的应用技术,大幅度降低了混合炸药和推进剂的感度,并显著改善了它们的力学性能以及推进剂的燃烧性能。
【关键词】：纳米硝胺炸药 降感机理 高分子黏结炸药(PBX) 改性双基推进剂(CMDB) 热分解特性 力学性能 感度 燃爆性能
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ560.7
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-24
• 1 绪论24-43
• 1.1 引言24
• 1.2 降低硝胺炸药感度的方法24-30
• 1.2.1 包覆降感24-26
• 1.2.2 共晶降感26-27
• 1.2.3 改善晶体品质降感27-29
• 1.2.4 微纳米化降感29-30
• 1.3 纳米硝胺炸药的制备方法30-34
• 1.3.1 重结晶法制备纳米硝胺炸药31-33
• 1.3.2 粉碎法制备纳米硝胺炸药33-34
• 1.4 硝胺炸药在火炸药中的应用基础研究34-40
• 1.4.1 硝胺炸药在高分子黏结炸药(PBX)中的应用基础研究34-38
• 1.4.2 硝胺炸药在改性双基推进剂(CMDB)中的应用基础研究38-40
• 1.5 本课题的研究目的和主要研究内容40-43
• 1.5.1 研究目的40-41
• 1.5.2 主要研究内容41-43
• 2 纳米硝胺炸药的制备及性能研究43-82
• 2.1 实验原材料、试剂及仪器43-44
• 2.2 纳米硝胺炸药的制备和表征44-48
• 2.2.1 纳米硝胺炸药的制备原理44-45
• 2.2.2 纳米RDX的制备和表征45-46
• 2.2.3 纳米HMX的制备和表征46-47
• 2.2.4 纳米CL-20的制备和表征47-48
• 2.3 纳米硝胺炸药的防团聚技术研究48-59
• 2.3.1 纳米硝胺炸药的防团聚原理48-49
• 2.3.2 纳米RDX的防团聚技术研究49-53
• 2.3.3 纳米HMX的防团聚技术研究53-58
• 2.3.4 纳米CL-20的防团聚技术研究58-59
• 2.4 纳米硝胺炸药的性能研究59-80
• 2.4.1 纳米RDX的性能研究59-66
• 2.4.2 纳米HMX的性能研究66-74
• 2.4.3 纳米CL-20的性能研究74-80
• 2.5 本章小结80-82
• 3 硝胺炸药纳米化降感机理研究82-92
• 3.1 宏观理论阐述82-85
• 3.1.1 摩擦作用82
• 3.1.2 冲击作用82-85
• 3.2 微观分解能量研究85-91
• 3.2.1 硝胺炸药颗粒临界电子激发能的实测与计算原理85-87
• 3.2.2 硝胺炸药颗粒的临界电子激发能的计算87-88
• 3.2.3 硝胺炸药颗粒的临界电子激发能随尺寸的变化规律88-91
• 3.3 本章小结91-92
• 4 纳米RDX在压装型高分子黏结炸药(PBX)中的应用基础研究92-107
• 4.1 纳米RDX基压装型PBX混合炸药的制备92-94
• 4.1.1 实验原材料、试剂及仪器92-93
• 4.1.2 纳米RDX基JH炸药造型粉的制备93
• 4.1.3 纳米RDX基JH炸药造型粉的粒度分布93-94
• 4.2 纳米RDX基JH炸药造型粉的组分含量研究94-95
• 4.2.1 溶剂的选择及组分分离顺序94-95
• 4.2.2 纳米RDX基JH炸药的组分含量95
• 4.3 纳米RDX基JH炸药的热分解特性研究95-98
• 4.4 纳米RDX基JH炸药的安定性研究98-99
• 4.5 纳米RDX基JH炸药的微观结构99-100
• 4.5.1 造型粉的微观结构99
• 4.5.2 药柱的微观结构99-100
• 4.6 纳米RDX基JH炸药的力学性能研究100-103
• 4.7 纳米RDX基JH炸药的感度和爆炸性能研究103-105
• 4.7.1 摩擦、撞击和冲击波感度103-104
• 4.7.2 爆速、爆压和爆热104-105
• 4.8 本章小结105-107
• 5 纳米HMX在压装型高分子黏结炸药(PBX)中的应用基础研究107-121
• 5.1 纳米HMX基压装型PBX混合炸药的制备107-109
• 5.1.1 实验原材料、试剂及仪器107
• 5.1.2 纳米HMX基JO炸药造型粉的制备107-108
• 5.1.3 纳米HMX基JO炸药造型粉的粒度分布108-109
• 5.2 纳米HMX基JO炸药造型粉的组分含量研究109-110
• 5.2.1 溶剂的选择及组分分离顺序109-110
• 5.2.2 纳米HMX基JO炸药的组分含量110
• 5.3 纳米HMX基JO炸药的热分解特性研究110-113
• 5.4 纳米HMX基JO炸药的安定性研究113-114
• 5.5 纳米HMX基JO炸药的微观结构研究114-115
• 5.5.1 造型粉的微观结构114
• 5.5.2 药柱的微观结构114-115
• 5.6 纳米HMX基JO炸药的力学性能研究115-117
• 5.7 纳米HMX基JO炸药的感度和爆炸性能研究117-120
• 5.7.1 摩擦、撞击和冲击波感度117-119
• 5.7.2 爆速、爆压和爆热119-120
• 5.8 本章小结120-121
• 6 纳米RDX在低固含量改性双基推进剂中的应用基础研究121-137
• 6.1 含纳米RDX的GHD推进剂的制备121
• 6.2 含纳米RDX的GHD推进剂的组分含量研究121-122
• 6.3 含纳米RDX的GHD推进剂的热分解特性研究122-125
• 6.4 含纳米RDX的GHD推进剂的安定性研究125
• 6.5 含纳米RDX的GHD推进剂的微观结构研究125-127
• 6.5.1 吸收药的微观结构125-127
• 6.5.2 药条的微观结构127
• 6.6 含纳米RDX的GHD推进剂的力学性能研究127-133
• 6.6.1 高温力学性能128-130
• 6.6.2 常温力学性能130-132
• 6.6.3 低温力学性能132-133
• 6.7 含纳米RDX的GHD推进剂的感度和燃烧性能研究133-135
• 6.7.1 机械感度133-134
• 6.7.2 燃烧性能134-135
• 6.8 本章小结135-137
• 7 纳米RDX在高固含量改性双基推进剂中的应用基础研究137-152
• 7.1 含纳米RDX的GHG推进剂的制备137
• 7.2 含纳米RDX的GHG推进剂的组分含量研究137-138
• 7.3 含纳米RDX的GHG推进剂的热分解特性研究138-141
• 7.4 含纳米RDX的GHG推进剂的安定性研究141
• 7.5 含纳米RDX的GHG推进剂的微观结构研究141-142
• 7.5.1 吸收药的微观结构141-142
• 7.5.2 药条的微观结构142
• 7.6 含纳米RDX的GHG推进剂的力学性能研究142-148
• 7.6.1 高温力学性能143-145
• 7.6.2 常温力学性能145-146
• 7.6.3 低温力学性能146-148
• 7.7 含纳米RDX的GHG推进剂的感度和燃烧性能研究148-150
• 7.7.1 机械感度148-149
• 7.7.2 燃烧性能149-150
• 7.8 本章小结150-152
• 8 结论、创新与展望152-154
• 8.1 本文结论152
• 8.2 本文创新点152-153
• 8.3 后续工作展望153-154
• 致谢154-155
• 参考文献155-166
• 附录166-168

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 吕春玲,张景林;粒度对HMX撞击感度的影响[J];爆炸与冲击;2003年05期

2 宋小兰;李凤生;张景林;郭效德;安崇伟;王毅;;粒度和形貌及粒度分布对RDX安全和热分解性能的影响[J];固体火箭技术;2008年02期

3 彭加斌,刘大斌,吕春绪,杨云龙,魏慧春;反相微乳液-重结晶法制备纳米黑索今的工艺研究[J];火工品;2004年04期

4 封雪松;赵省向;李小平;;一种重结晶黑索今的冲击波感度研究[J];含能材料;2007年06期

5 刘桂涛,曲虹霞;超细RDX爆轰感度与撞击感度、摩擦感度的研究[J];南京理工大学学报(自然科学版);2002年04期

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  本文关键词：具有降感特性纳米硝胺炸药的可控制备及应用基础研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：368971