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《中北大学》 2017年
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微纳米共晶含能材料的设计、制备及性能研究

李鹤群  
【摘要】:高能含能材料HMX和CL-20具有较高的机械感度,如将其应用于武器弹药配方中,武器的安全性将面临极大的挑战。国内外相关研究表明含能材料微纳米和共晶技术都可有效降低其感度,提高其安全性。本论文以TNT、HMX、CL-20和TATB为基,采用一步法完成含能材料微纳米化和共晶效应,制备出多种微纳米共晶含能材料。重点考察了微纳米共晶技术对含能材料机械感度和能量输出性能的影响。研究对高能低感含能材料的发展具有一定的推进作用。研究的主要内容如下。首先,通过分子动力学模拟软件Materials Studio中的DMol3模块分别计算TNT、HMX、CL-20和TATB的表面静电势能,基于其表面静电势能采用Forcite Plus模块搭建HMX/TNT、CL-20/TNT、CL-20/HMX和HMX/TATB共晶含能材料模型,运用Polymorph Predictor模块筛选出其最可能的共晶晶体结构,并推测出形成共晶的主要驱动力。结果表明,HMX/TNT共晶最可能的晶体结构属于单斜晶系,P21/c空间群;CL-20/TNT共晶最可能的晶体结构属于正交晶系,P212121空间群;CL-20/HMX共晶最可能的晶体结构属于单斜晶系,P21/c空间群;HMX/TATB共晶最可能的晶体结构属于正交晶系,Pna21空间群。HMX/TNT、CL-20/TNT和CL-20/HMX形成共晶的主要驱动力是范德华力,氢键起到协同作用。HMX/TATB共晶的主要驱动力是范德华力和氢键的叠加作用。其次,通过喷雾干燥法分别制备出微纳米HMX/TNT、CL-20/TNT和CL-20/HMX共晶含能材料。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热(DSC)和拉曼光谱(Raman)对其进行表征,并对其进行撞击感度、摩擦感度和钢凹值测试分析。结果表明,制得的HMX/TNT和CL-20/TNT共晶颗粒呈近球状,HMX/TNT共晶颗粒粒径在50~200 nm,CL-20/TNT共晶颗粒粒径在1μm以下,这两种微纳米共晶颗粒都团聚成粒径在1μm到10μm的聚晶微球。制得的CL-20/HMX共晶颗粒呈厚度在100 nm左右片状结晶,并且团聚成粒径在0.5μm到5μm的聚晶微球。这三种微纳米共晶含能材料具有不同于各自单一组分的晶体结构和热分解特性。HMX与TNT形成微纳米共晶后的热分解放热峰温与HMX相比降低3.67℃;TNT与CL-20形成微纳米共晶含能材料后熔点较TNT提高55.78℃;CL-20与HMX形成微纳米共晶含能材料后热分解放热峰温与CL-20相比降低3.86℃。制得的三种微纳米共晶晶体中都存在分子间氢键C-H···O作用。在喷雾干燥法制备微纳米共晶含能材料的基础上,提出了“瞬时识别成核”结晶原理,两种含能溶质分子在共溶液喷雾干燥析出瞬间自动识别与组装形成共晶晶核,并生长为微纳米共晶粒子。此外,与原料HMX或者原料CL-20相比,形成微纳米共晶含能材料后的撞击感度和摩擦感度都大幅度降低。通过形成微纳米HMX/TNT、CL-20/TNT和CL-20/HMX共晶含能材料可以分别提高各自混合物的能量输出性能。最后,基于“机械力化学效应”原理,通过机械球磨法制备出微纳米CL-20/HMX和HMX/TATB共晶含能材料。对其进行SEM、粒度、XRD、DSC和Raman表征,以及撞击感度、摩擦感度和钢凹值测试分析。得出机械球磨法制备微纳米CL-20/HMX共晶含能材料的最佳工艺条件为:磨球尺寸0.1 mm;液料比10/1;转速300 r·min-1;球料比20/1;球磨时间120 min。在上述最佳工艺条件下,制得的CL-20/HMX和HMX/TATB共晶颗粒呈近球状,粒径分别在80~250 nm和82~435 nm。制得的两种微纳米共晶含能材料展现出不同于各自单一组分的晶体结构和热分解特性。微纳米CL-20/HMX共晶含能材料的热分解放热峰温分别比原料CL-20小约7℃。微纳米HMX/TATB共晶含能材料的热分解放热峰温比原料HMX低约3℃。形成微纳米共晶后,热稳定性稍有降低。微纳米CL-20/HMX和HMX/TATB共晶含能材料晶体中分别存在分子间氢键C-H···O和N-H···O作用。CL-20/HMX和HMX/TATB形成微纳米共晶含能材料后的机械感度较原料HMX都大幅度降低。此外,通过形成微纳米CL-20/HMX和HMX/TATB共晶含能材料的能量输出性能分别与原料CL-20和原料HMX相当。
【关键词】:HMX CL-20 微纳米共晶 分子动力学 机械感度 钢凹值
【学位授予单位】:中北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ560.1
【目录】:
  • 摘要6-8
  • Abstract8-15
  • 1 绪论15-33
  • 1.1 研究背景及意义15-16
  • 1.2 共晶含能材料的研究现状16-23
  • 1.2.1 CL-20/TNT共晶含能材料16-18
  • 1.2.2 CL-20/HMX共晶含能材料18-19
  • 1.2.3 BTF基共晶含能材料19
  • 1.2.4 其它CL-20 基共晶含能材料19-21
  • 1.2.5 其它HMX基共晶含能材料21-22
  • 1.2.6 其它TNT基共晶含能材料22-23
  • 1.3 喷雾干燥技术在含能材料领域的研究现状23-28
  • 1.4 机磨技术在含能材料领域的研究现状28-31
  • 1.5 论文的主要研究内容31-33
  • 2 共晶含能材料形成机理分子动力学模拟33-58
  • 2.1 Materials Studio软件介绍33-34
  • 2.2 表面静电势能计算34-38
  • 2.3 共晶形成机理分析38-57
  • 2.3.1 HMX/TNT共晶含能材料38-43
  • 2.3.2 CL-20/TNT共晶含能材料43-48
  • 2.3.3 CL-20/HMX共晶含能材料48-52
  • 2.3.4 HMX/TATB共晶含能材料52-57
  • 2.4 本章小结57-58
  • 3 喷雾干燥法制备微纳米共晶含能材料与性能研究58-88
  • 3.1 微纳米HMX/TNT共晶含能材料58-59
  • 3.2 微纳米HMX/TNT共晶含能材料的制备59-61
  • 3.2.1 实验仪器与耗材59-60
  • 3.2.2 喷雾干燥法制备微纳米共晶含能材料工艺流程60
  • 3.2.3 实验步骤60-61
  • 3.3 微纳米HMX/TNT共晶含能材料测试与分析61-70
  • 3.3.1 粒径和形貌分析61-62
  • 3.3.2 XRD测试与结果分析62-63
  • 3.3.3 DSC测试与结果分析63-65
  • 3.3.4 Raman测试与结果分析65-67
  • 3.3.5 喷雾干燥法制备微纳米HMX/TNT共晶机理分析67
  • 3.3.6 机械感度测试与结果分析67-68
  • 3.3.7 能量输出性能测试与结果分析68-70
  • 3.4 微纳米CL-20/TNT共晶含能材料70-71
  • 3.5 微纳米CL-20/TNT共晶含能材料制备71
  • 3.5.1 实验仪器与耗材71
  • 3.5.2 实验步骤71
  • 3.6 微纳米CL-20/TNT共晶含能材料测试与分析71-79
  • 3.6.1 粒径和形貌分析71-73
  • 3.6.2 XRD测试与结果分析73-74
  • 3.6.3 DSC测试与结果分析74-75
  • 3.6.4 Raman测试与结果分析75-77
  • 3.6.5 喷雾干燥法制备微纳米CL-20/TNT共晶机理分析77
  • 3.6.6 机械感度测试与结果分析77-78
  • 3.6.7 能量输出性能测试与结果分析78-79
  • 3.7 微纳米CL-20/HMX共晶含能材料79-80
  • 3.8 微纳米CL-20/HMX共晶含能材料制备80
  • 3.8.1 实验仪器与耗材80
  • 3.8.2 实验步骤80
  • 3.9 微纳米CL-20/HMX共晶含能材料测试与分析80-87
  • 3.9.1 粒径和形貌分析80-81
  • 3.9.2 XRD测试与结果分析81-82
  • 3.9.3 DSC测试与结果分析82-83
  • 3.9.4 Raman测试与结果分析83-85
  • 3.9.5 喷雾干燥法制备微纳米CL-20/HMX共晶机理分析85
  • 3.9.6 机械感度测试与结果分析85-86
  • 3.9.7 能量输出性能测试与结果分析86-87
  • 3.10 本章小结87-88
  • 4 机械球磨法制备微纳米共晶含能材料与性能研究88-121
  • 4.1 微纳米CL-20/HMX共晶含能材料88
  • 4.2 微纳米CL-20/HMX共晶含能材料制备88-94
  • 4.2.1 实验仪器与耗材88-90
  • 4.2.2 行星式球磨机工作原理与工艺操作90-91
  • 4.2.3 正交试验设计91-94
  • 4.3 微纳米CL-20/HMX共晶含能材料测试与分析94-110
  • 4.3.1 粒径和形貌分析94-102
  • 4.3.2 XRD测试与结果分析102-104
  • 4.3.3 DSC测试与结果分析104-105
  • 4.3.4 Raman测试与结果分析105-107
  • 4.3.5 机械球磨法制备微纳米CL-20/HMX共晶机理分析107-108
  • 4.3.6 机械感度测试与结果分析108-109
  • 4.3.7 能量输出性能测试与结果分析109-110
  • 4.4 微纳米HMX/TATB共晶含能材料110-111
  • 4.5 微纳米HMX/TATB共晶含能材料制备111
  • 4.5.1 实验仪器与耗材111
  • 4.5.2 实验步骤111
  • 4.6 微纳米HMX/TATB共晶含能材料测试与分析111-119
  • 4.6.1 粒径和形貌分析111-113
  • 4.6.2 XRD测试与结果分析113-114
  • 4.6.3 DSC测试与结果分析114-115
  • 4.6.4 Raman测试与结果分析115-117
  • 4.6.5 机械球磨法制备微纳米HMX/TATB共晶机理分析117
  • 4.6.6 机械感度测试与结果分析117-118
  • 4.6.7 能量输出性能测试与结果分析118-119
  • 4.7 本章小结119-121
  • 5 结论与展望121-125
  • 5.1 结论121-123
  • 5.2 主要创新点123
  • 5.3 展望123-125
  • 参考文献125-142
  • 攻读博士学位期间发表论文和科研成果142-144
  • 致谢144-145

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