晶胞内嵌H_2O_2分子的CL-20基主客体炸药的温和制备（英文）

六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)是目前能量最高的单质炸药,为了进一步提高其爆轰性能,以过氧化脲作为H_2O_2的原料,在低温低压干燥的环境下,采用溶剂挥发法构筑了CL-20/H_2O_2主客体含能炸药。利用粉末X-射线衍射(PXRD)和拉曼光谱对其结构进表征。结果表明,制备的CL-20/H_2O_2主客体炸药是正交晶系的晶体,空间群为Pbca,具有长程有序堆积的结构。经同步热分析仪(TG-DSC)测试得到主体CL-20分子与客体H_2O_2分子之间的摩尔比为2:1。利用原位高温XRD研究了CL-20/H_2O_2的热晶变行为,结果表明,随着温度的升高,CL-20/H_2O_2逐渐转变为γ-CL-20,并且相转变效率高于ε-CL-20。通过对CL-20/H_2O_2生长过程的追踪,观察到在溶液结晶过程中,CL-20/CH_3CN亚稳相为重要的中间体,并经过一个固相转晶过程最终形成CL-20/H_2O_2主客体炸药晶体。     

HTPB基粘结体系中ε-CL-20的晶型转变规律

采用原位X-射线粉末衍射(原位XRD)技术对端羟基聚丁二烯(HTPB)基粘结体系中ε-六硝基六氮杂异伍兹烷(ε-CL-20)的晶型转变行为进行了研究,探讨了HTPB、甲苯二异氰酸酯(TDI)、葵二酸二辛酯(DOS)、二月桂酸二丁基锡(T-12)、高氯酸铵(AP)、Al等添加剂对CL-20晶型转变的影响。结果表明,添加剂能够引起ε-CL-20在热刺激作用下的晶型转变的起始温度发生变化,HTPB和TDI能在一定程度上包覆CL-20晶体,T-12作为胶黏的催化剂与HTPB及TDI联用时能加速包覆,都对ε→γ晶型转变有抑制作用。而DOS与CL-20混合后却促使ε→γ的晶型转变。AP、Al与CL-20属于固固混合,对ε-CL-20晶体的晶型转变影响不明显。另外,将粘结体系ε-CL-20在70℃下持续加热60 h后,发现ε-CL-20晶型未发生转变。     

CL-20及其共晶炸药热力学稳定性与爆轰性能的理论研究

基于自主研发的第一性原理软件研究了六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)炸药五种晶相、苯并三氧化呋咱(BTF)炸药晶体及CL-20/BTF共晶炸药结构的热力学稳定性、力学性能和爆轰性能。研究表明,弱氢键的静电吸引作用使CL-20/BTF共晶的分子间结合能相对于无氢BTF晶体增加39%,提升了共晶结构的热力学稳定性并较大地改变了其体弹模量和声速等力学性能。CL-20/BTF共晶虽与纯BTF晶体有相近的密度,但由于共晶的氧平衡系数得到优化,因此其爆压、爆速分别相对提高约11%、5%;与β-CL-20晶体相比,共晶的密度与氧平衡均有所下降,因而其爆压、爆速分别相对下降约15%、6%。设计新型钝感共晶炸药应避免共价键强度极弱的分子和具有高密度振动谱特征峰的结构,应有效利用氢键对分子空间堆积的热力学稳定效应,同时适量控制氢元素含量以保障炸药的高能量密度。     

α-CL-20和CL-20/H2O2中溶剂分子的扩散特性及其对共晶分解影响的分子动力学模拟

为了研究H₂O和H₂O₂溶剂分子对含能共晶热稳定性的影响机制,采用分子动力学(MD)模拟方法对α-CL-20和CL-20/H₂O(2正交、单斜)中溶剂分子的扩散行为及其热解机理进行了研究。结果表明,H₂O和H₂O₂都会随着温度的升高从晶胞中扩散出来,其中H₂O分子扩散得更快;温度低于500 K时单斜晶型CL-20/H₂O₂晶格框架具有阻碍溶剂分子H₂O₂扩散的作用,而温度高于500 K时,这种阻碍作用将不复存在。热分解过程中,α-CL-20释能最慢,且其中CL-20的分解也是最慢的;温度低于1500 K时,溶剂分子对含能组分热解呈现出一定的稳定化作用,但此作用随着温度的升高而消失。此外,溶剂的存在能明显增加晶格能。     

不同晶体特性CL‍-20热晶变规律与动力学

六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）的晶型转变与控制技术是含能材料领域的热点,也是其应用推广时必须解决的关键问题。为了更加深入掌握不同晶体特性ε-CL-20的晶型转变规律与机制,采用原位X射线粉末衍射仪技术,对其热晶变行为及等温晶变动力学进行研究,探讨了晶体表面及内部缺陷对CL-20的ε→γ热晶变行为的影响,计算了不同晶体特性ε-CL-20的等温晶变动力学并获得了相关参数。结果表明,温度是影响ε-CL-20热晶变的主导因素,对于几十到几百微米的ε-CL-20,随着晶体内部及表面缺陷的增多,热晶变起始温度降低、热晶变速率增大。与粒径100μm的ε-CL-20晶体相比,超细ε-CL-20(0.5～1μm)的热晶变起始温度更高,热晶变速率也较快,并从晶体缺陷的两面性解释了超细ε-CL-20的异常热晶变行为。CL-20在热刺激作用下发生ε→γ晶变时,晶体的表面缺陷及内部缺陷作为相变过程的薄弱环节对其有诱导作用,γ晶型在ε-CL-20晶体上成核势垒较低的空位、杂质或位错等缺陷处优先成核,随后在这些位置逐渐长大。     

CL-20重结晶过程中的晶型转变研究进展

介绍了不同晶型六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW,CL-20)(包括α-、β-、γ-、ε-及ζ-)的结构、热稳定性及性能。综述了CL-20的重结晶方法(包括溶剂-非溶剂法和溶剂挥发法)以及在溶液中的晶型转变。认为:ε-CL-20最有应用价值,不能直接合成,它需通过重结晶得到,但结晶时的晶型转变会降低ε-CL-20晶型的纯度,从而影响爆轰性能。讨论了溶剂和温度对CL-20晶型转变的影响。根据Ostwald规则,从热力学和动力学角度解释了CL-20的晶型转变过程。指出了现有研究的不足,提出了通过控制CL-20的晶型转变路径、优化重结晶条件,以获得晶型纯度高的ε-CL-20的新思路。     

3,4-二硝基吡唑与六硝基六氮杂异伍兹烷分子间相互作用的理论研究

为研究钝感炸药3,4-二硝基吡唑(DNP)与高能炸药六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)分子间相互作用,基于密度泛函理论(DFT)优化了DNP/CL-20复合物的结构,得到六种稳定构型;运用自然键轨道(NBO)、电子密度拓扑和约化密度梯度(RDG)分析了复合物中分子间相互作用类型。从CL-20引发键的键长、键解离能、键级和相关硝基电荷与复合物电子密度差等方面分析了分子间相互作用对CL-20感度的影响。结果表明,DNP/CL-20复合物中存在分子间氢键和范德华作用,包括N—H…O、C—H…O和N…O、O…O作用。硝基电荷和电子密度差分析表明这些分子间作用影响了CL-20分子的电荷分布和电子密度分布,改变CL-20引发键稳定性,导致其感度下降。CL-20引发键键长、键级、键解离能和键临界点电子密度的变化量之间具有良好的线性关系。六种构型的相互作用能大小排序为:构型Ⅳ构型Ⅵ构型Ⅲ构型Ⅴ构型Ⅱ构型Ⅰ。     

CL-20基直写炸药油墨的制备与表征

炸药油墨是直写微装药技术在微型机电系统(MEMS)引信安保装置应用的关键材料。采用球磨方法细化了六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW, CL-20)炸药,结合聚乙烯醇(PVA)/水/乙基纤维素(EC)/异丙醇(IPA)的复合粘结剂体系,获得了一种书写性能良好的炸药油墨复合物ε-CL-20/PVA/H₂O/EC/IPA。扫描电子显微镜显示炸药油墨的最小线宽可达80.2 μm,无明显裂纹。红外光谱显示油墨中CL-20炸药在直写前后晶型保持不变。通过楔形狭缝装药炸痕法,测得装药厚度为0.54 mm时,炸药油墨复合物的爆轰临界尺寸为0.36 mm。      

CL-20/HMX共晶THz光谱的理论研究

通过共晶的方式来改善炸药的性能已成为含能材料领域的研究热点,共晶炸药的形成主要依赖异相分子间相互作用,而这些相互作用的能级跃迁正好位于太赫兹(THz)谱的检测范围。以六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/环四亚甲基四硝胺(HMX)共晶作为模型体系,采用分子动力学与量子力学相结合的方法,对共晶组分HMX和CL-20以及CL-20/HMX共晶的THz光谱进行了理论研究,对特征峰进行了振动模式的指认和分析,确认了不同分子间相互作用在THz谱上的响应。结果表明,与共晶单体CL-20和HMX相比,CL-20/HMX共晶出现了新的特征吸收峰,分别位于0.23,0.49,1.1,1.47,1.73,2.27 THz处。其中,1.1,1.47,1.73 THz处的吸收峰均由分子间C—H…O氢键引起,而1.73 THz处的吸收峰主要指配为异相分子间氢键。     

CL-20/HMX共晶与共混物的分子动力学模拟

为比较六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)/环四亚甲基四硝胺(HMX)的共晶与共混物的性能,分别构建了CL-20∶HMX摩尔比为2∶1的共晶结构及共混物结构。用分子动力学(MD)方法模拟了CL-20/HMX的共晶体系及共混体系的力学性能、结构稳定性及径向分布函数。模拟及计算结果表明:CL-20/HMX共晶工艺能显著改善体系的抗形变能力及延展性。共晶结构的弹性模量要显著大于共混结构。最大键长(L_(max))的排序为:CL-20/HMX共混ε-CL-20β-HMXCL-20/HMX共晶。以范德华力为主的作用力"敏化"了CL-20/HMX共混体系的结构。CL-20/HMX共晶结构的内聚能密度(CED)值要远远大于CL-20/HMX共混结构的CED值。CL-20/HMX共晶体系中存在着长度相对较短CH…O氢键导致其感度较低。     

CL-20热膨胀和相变的ReaxFF-lg分子动力学模拟

为研究六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)的高温热膨胀及相变规律,采用分子动力学方法和价角势能截距修正的ReaxFF-lg反应力场,考察了ε-、β-和γ-CL-20的相变温度和热膨胀系数。为验证力场适用性,计算了常温下三种晶型CL-20的密度、晶胞参数、晶格能和升华焓。采用三阶Birch–Murnaghan状态方程拟合了0~280 GPa压力范围内ε-CL-20的p-V曲线,得到体积模量及随拟合压力升高的变化规律。高温相变分析表明,ε-和γ?CL-20在398~423 K产生相变,其中ε→γ相变在常压下发生,而γ→ε相变需加压0.5 GPa以上;β-CL-20在448 K下转变为ε晶型。热膨胀系数分析表明,ε-CL-20高温热膨胀过程无明显各向异性,而β-和γ-CL-20分别在c方向和b方向表现出各向异性。研究结果表明,修正的ReaxFF-lg反应力场适用于ε-、β-和γ-CL-20的高温高压相变研究,对于β-和γ-CL-20的热膨胀研究精度有待进一步提高。     

喷雾和超声辅助制备超细球形化ε-CL-20

采用喷雾和超声辅助重结晶装置制备了超细球形化六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)颗粒。用扫描电镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)测试表征了样品的形貌、粒径、晶型。用差示扫描量热法(DSC)分析了其热安定性,采用Kissinger公式和Zhang-Hu-Xie-Li热爆炸临界温度计算式,计算了热分解反应的表观活化能和热爆炸临界温度。按GJB772-1997方法测试了其机械感度。结果表明,制备的超细CL-20为粒径400nm左右的球形颗粒,分散性良好,其晶型为ε型。超细CL-20的热安定性较原料有所降低。原料CL-20和超细CL-20的热爆炸临界温度分别为242.85℃和241.64℃,表观活化能分别为156.04kJ·mol~(-1)和165.11kJ·mol~(-1)。与原料CL-20相比,超细CL-20的撞击感度明显降低,特性落高由14.98cm提高到31.95cm,摩擦感度也降低,爆炸概率从100%降低到40%。     

空气条件下氧化剂对铝/水基燃料燃烧特性的影响

利用多种实验技术研究了在空气气氛中添加剂奥克托今(HMX)和六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)对Al/H2O基燃料燃烧特性的影响。实验发现添加HMX比CL-20更有利于铝粉的燃烧,对燃面温度的提高效果也更为显著,但是,添加CL-20能促进Al/H2O基燃料的热量传递,显著提高燃速。通过分析发现,实验结果与氧化剂CL-20和HMX本身的热分解和燃烧特性紧密相关。     

亚微米六硝基六氮杂异伍兹烷的制备及其性能研究

采用HLG-50型粉碎机,成功制备了亚微米六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）。运用激光粒度仪和扫描电子显微镜(SEM)对产品的粒度分布、颗粒大小及形貌进行了表征;采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、激光拉曼光谱(Raman)、X射线粉末衍射(XRD)仪及高效液相色谱(HPLC)仪分析了产品的晶型和纯度;使用热重(TG)和差示扫描量热(DSC)法分析其热分解特性,同时表征了产品的冲击波感度。研究结果表明：亚微米CL-20颗粒呈类球形,其平均粒径d₅₀为210 nm, 并保持着原料的ε晶型且纯度高;与原料相比,亚微米CL-20的热分解峰温度稍有提前,其冲击波感度下降了53.1%,降感效果明显,有利于CL-20的应用。     

共晶和共混对CL-20/DNB感度和热解机理影响的MD模拟

为了从分子水平进一步揭示共晶和共混对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/1,3-二硝基苯(DNB)含能材料的感度、力学性能和热解机理的影响,采用分子动力学(MD)模拟方法在COMPASS力场条件下对CL-20、DNB、两者的共混物及共晶的感度、结合能和力学性能进行了模拟计算。在Reax FF/lg力场条件下对其热解机理进行了研究。结果表明,共晶和共混均会降低体系的感度,但共晶效果更加明显;与共混物结构相比,共晶结构更加稳定,共晶和共混均可以改变复合体系的力学性能,降低体系的刚度,增加体系的柔性和安全性,但共混会使体系的力学性能劣化。共晶分子间强的作用会促进体系中各组分的热解反应,NO_2、N_2、NO、H_2O、HONO、HON以及CO_2等是共晶和共混体系的主要热解产物。与共混相比,共晶是一种更加有效的含能材料改性方法,可为含能材料的配方设计提供理论指导。     

纳米六硝基六氮杂异伍兹烷与三氨基三硝基苯含能复合物的制备及性能研究

为提高六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）的安全性能,通过一步球磨法制得CL-20与三氨基三硝基苯（CL-20/TATB）含能复合物。采用扫描电镜（SEM）、粉末X射线衍射（XRD）、红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热法（DSC）对原料和含能复合物的性能进行表征,并进行撞击感度测试与分析。结果表明：制备的产物不是CL-20和TATB的简单物理混合,而是生成新的晶型;在SEM图中,与原料相比,CL-20/TATB含能复合物表面更加光滑,球形化效果明显,形貌呈规则的小颗粒状,粒度分布约在50~200 nm之间;在XRD图谱中,最终产物的主要衍射峰分布明显不同于原料和简单混合物的衍射峰,有新的衍射峰出现,说明最终产物中有新的晶型出现,同时由于粒径变小导致衍射峰谱带弥散且宽化;在CL-20/TATB含能复合物的FT-IR图中,由于CL-20（—NO₂或—CH） 和TATB（—NO₂或—NH₂）之间的氢键作用,导致红外谱峰发生偏移;在DSC图中,CL-20/TATB含 能复合物的放热峰比原料CL-20和原料TATB的都提前,说明CL-20/TATB含能复合物的热分解活性比原料CL-20和原料TATB有所增强;撞击感度测试中,CL-20/TATB含能复合物的特性落高比CL-20高62 cm,具有更好的撞击安全性能。     

溶剂-反溶剂交替法制备大颗粒圆滑ε-CL-20

将六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)的滤液加入到反溶剂中,析出少量的晶体,起到类似"晶种"的作用,二次快加大量反溶剂使析出的晶体沿"晶种生长"以制备大颗粒圆滑ε-CL-20。分析了反溶剂体积和搅拌速率对ε-CL-20形貌和粒度的影响。对结晶后的ε-CL-20性能进行了表征。结果表明,与原料相比,采用这种方法制备出的ε-CL-20的晶体颗粒,具有表面圆滑、无尖锐棱角、高致密、粒度分布窄的特点。ε-CL-20的特性落高H_(50)从25 cm提高到40 cm,摩擦感度从96%降到32%,密度从2.0367 g·cm~(-3)提高到2.0384 g·cm~(-3)。     

RuO2-IrO2-SnO2／Ti电极电催化氧化降解苯酚废水

针对火炸药废水中所含苯酚类污染物排放量大、难降解的问题,以RuO_2-IrO_2-SnO_2/Ti为阳极、Ti为阴极,氯化钠为电解质,采用电催化氧化法对模拟含苯酚火炸药废水进行了研究。考察了氯化钠浓度、电流密度、pH值、苯酚废水初始浓度对苯酚去除率等的影响。在苯酚去除率最佳的条件下研究了总有机碳(TOC)、化学需氧量(COD)去除率随时间的变化。采用高效液相色谱法推测了降解苯酚的中间产物及过程。结果表明,在氯化钠浓度为13 g·L~(-1),电流密度为30 mA·cm~(-2),pH值为5,苯酚废水初始浓度为500 mg·L~(-1)的条件下,反应60 min,苯酚去除率可达99.85%。在苯酚去除率最佳的条件下,反应100 min,TOC和COD的去除率分别可达53.55%、59.37%。该电极易于催化ClO~-、·OH等活性基团与苯环发生亲电加成反应生成芳香族化合物,并迅速将其氧化降解为脂肪族化合物及CO_2和H_2O。     

RDX/Al/SiO_2纳米复合含能材料的制备及性能

为了在降低黑索今(RDX)机械感度的同时提高其热分解性能,以四甲氧基硅烷为前驱物,氟硼酸为催化剂,用溶胶-凝胶法制备了RDX-Al质量分数分别为30%、50%、70%(RDX与Al质量比均为6∶1)的三种RDX/Al/SiO_2纳米复合含能材料。用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)及X-射线衍射(XRD)对其形貌及结构进行了表征;用热重分析(TG)、差示扫描量热(DSC)研究了样品的热性能;按GJB772A-1997的方法测试了样品的机械感度。结果表明:RDX/Al/SiO_2是以SiO_2为凝胶骨架,Al与RDX进入到凝胶骨架中形成的纳米复合含能材料;该复合材料中RDX的最小平均粒径为65.09 nm,且其粒径随RDX-Al含量的增加而增大;当RDX-Al的质量分数为30%时,与纯RDX相比,该复合材料中RDX的分解温度较纯RDX提前22.4℃,与原料RDX相比,样品的特性落高提高108.6 cm,爆炸百分数降低60%。