石墨对TATB基PBX导热性能的影响

为有效调节TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的导热性能,利用闪光导热仪研究了石墨包覆方式(内包和外包)、温度及石墨含量对TATB基PBX导热系数的影响,应用Agari模型分析了TATB基PBX的导热机制。结果表明,添加高导热石墨可改善TATB基PBX的导热性能。常温下,由内包和外包1%(质量分数)石墨改性的TATB基PBX配方的导热系数分别为0.572 W·(m·K)-1和0.697 W·(m·K)-1,显示,外包石墨包覆方式比内包石墨包覆方式更好。与不含石墨的TATB基PBX相比,内包1%和外包1%石墨的TATB基PBX的导热性能分别提高4.76%和27.66%。随温度升高,TATB基PBX及其石墨改性配方的导热性能逐渐降低。随着石墨含量增加,外包石墨改性的TATB基PBX的导热性能升高。外包2%(质量分数)石墨可使TATB基PBX的导热系数提高至0.786 W·(m·K)-1。TATB基PBX及由内包石墨改性的配方的导热机制符合串联模型,而由外包石墨改性的配方的导热机制介于串联模型和并联模型之间。     

苯乙烯共聚物改性TATB基PBX的抗热冲击性能

为改善TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的抗热冲击性能,采用苯乙烯共聚物对TATB基PBX进行改性。分析了TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的拉伸力学性能及热物理性能,并对改性前后配方的抗热冲击性能进行了比较。采用Agari串联模型对TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的导热行为进行了模拟。结果表明,加入高玻璃化转变温度和高力学强度的苯乙烯共聚物可以明显提高TATB基PBX的拉伸强度和弹性模量,同时降低线膨胀系数和导热系数。理论预测模型和试验数据吻合良好。添加质量分数为1%的苯乙烯共聚物后,常温下TATB基PBX的抗热应力因子由10.72 W·m~(-1)提高到13.16 W·m~(-1)。随着温度升高,TATB基PBX的抗热冲击性能逐渐下降。在玻璃化温度范围转变范围(323~343 K),TATB基PBX的抗热应力因子显著降低。加入苯乙烯共聚物可以抑制323~343 K温度范围内TATB基PBX的抗热应力因子的下降程度。     

微纳米HMX基PBX力学、导热性能及药片撞击感度

为了研究微纳米尺度下颗粒尺寸对于炸药撞击感度的影响规律及作用机制,将三种奥克托今(HMX,粒径为100~300 nm,1~2μm,10~20μm)基高聚物粘接炸药(PBX)造型粉压制成表观密度分别为1.74 g·cm~(-3)与1.50 g·cm~(-3)的PBX样品,研究了HMX粒径与表观密度对PBX样品压缩力学性能、导热性能以及药片撞击感度的影响。使用扫描电镜观察了样品受落锤撞击前后的微观形貌,并通过自行设计的试验装置测试了落锤撞击加载过程中样品的受力情况。结果表明,PBX样品的压缩强度、压缩模量、导热系数及热扩散系数均随HMX粒径的减小而显著增大。在相同表观密度下,PBX样品的撞击感度随HMX粒径减小而明显降低;对于含同种粒径HMX的PBX样品,撞击感度随表观密度的增加而略微升高。撞击作用下HMX粒径较大的样品主要发生孔穴压缩与颗粒破碎,HMX粒径较小的样品主要发生颗粒层的剪切滑移。在相同撞击条件下,作用于试样力的峰值随表观密度的增大或粒径的减小而增大。认为炸药颗粒细化所带来的撞击感度降低是细化后炸药内部孔隙尺寸减小、孔隙结构均匀化程度提高以及导热性能提升等因素共同作用的结果。     

非线性超声技术检测TATB基PBX微损伤

针对高聚物粘结炸药(PBX)初始损伤及疲劳损伤问题,利用自行建立的非线性超声测试装置,对模压成型的两种密度三氨基三硝基苯(TATB)基PBX圆柱形试样及其在压缩疲劳过程中的非线性超声参量进行了测试,用断貌分析和计算机断层扫描(CT)验证了非线性超声检测结果。结果表明,与内部初始损伤程度较低的TATB基PBX试样相比,内部存在明显界面损伤的TATB基PBX试样的非线性超声系数明显偏高,非线性超声系数与TATB基PBX初始损伤程度之间有一定的相关性;在TATB基PBX试样疲劳加载至即将产生微裂纹时,非线性超声系数急剧增加并在产生宏观裂纹时达到极值,显示非线性超声参量可监测TATB基PBX疲劳损伤发展过程;TATB基PBX初始损伤程度不同其疲劳损伤速度和发展过程也不尽相同。     

模压TATB基PBX炸药件晶体取向对膨胀特性的影响

炸药件的膨胀特性对其使用性能有重要影响,研究TATB基PBX炸药件晶体取向与膨胀特性的关系,可为控制TATB晶体的形稳性提供基础支撑。采用线膨胀仪测定了颗粒状、片状及原材料TATB晶体所压制药柱沿不同方向的膨胀特性,采用X射线衍射仪和Rietveld全谱拟合精修的方法测定了TATB基PBX炸药件的晶体取向(F),并研究了TATB晶体取向对膨胀特性的影响。结果表明:TATB基PBX药柱存在各向异性膨胀,轴向的膨胀程度约为径向的2倍,膨胀系数(αCTE)与药柱中晶体的取向满足关系αCTE=(7.08+10.37×F)×10-5K-1,药柱的线膨胀系数随晶体取向增大而增大,而不同形貌的TATB晶体所压药柱的取向不同。因此,通过改变晶体形貌可以控制晶体取向,进而抑制药柱膨胀的各向异性,改善TATB炸药的形稳性。     

孔隙对TATB基高聚物粘结炸药有效弹性模量的影响

采用代表体积单元(RVE)建模方法,建立了与实际TATB基高聚物粘结炸药(PBX)微观结构近似的有限元计算模型,该模型可以生成炸药颗粒和孔隙随机分布、填充率和孔隙率任意调整的二维RVE。并采用该模型研究了孔隙大小、空间分布和孔隙率对TATB基PBX有效弹性模量的影响。结果表明:粘结剂内孔隙使得TATB基PBX在外载荷作用下易于变形,TATB基PBX的有效弹性模量显著减小,随着孔隙率增加,有效弹性模量呈指数减小;孔隙的空间分布对TATB基PBX有效弹性模量影响较大,当孔隙分布在粘结剂与炸药晶体之间界面时,容易造成粘结界面破裂而导致有效弹性模量显著下降,下降幅度超过50%;但孔隙的大小对TATB基PBX有效弹性模量影响不大。     

基于改进Hashin-Shtrikman方法预测PBX有效弹性模量

高聚物黏结炸药(PBX)是一种颗粒高度填充的含能复合材料,其单质炸药晶体的体积百分含量通常达到了80%以上,采用经典的细观力学模型Hashin-Shtrikman界限法获得的PBX有效弹性模量与实验测试值存在较大误差.引入含有炸药密度参数的"界面结合修正系数",得到了一个改进的Hashin-Shtrikman模型.设计了三种密度的以TATB为基的PBX,测定了相应的弹性模量值,并确定了模型的修正系数为0.813(ρ/ρ_0)~(8.64)和0.296(ρ/ρ_0)~(8.68).分别利用经典的和改进的Hashin-Shtrikman模型计算了该型PBX的有效体积模量和有效剪切模量,同时与实验值进行了对比.结果表明:以TATB为基的PBX其有效弹性模量随密度的减小呈指数形式衰减,且体积模量与剪切模量随密度的影响程度几乎一致,其指数约为8.6;改进的Hashin-Shtrikman模型的预测结果与实验值的误差在1%左右;改进后的模型合理,拟合精度高,适合于对双组分PBX有效弹性模量的预测.     

TATB基PBX与硬质聚氨酯泡沫塑料的相容性

用热重-红外(TG-IR)研究了TATB基高聚物粘结炸药(PBX)与硬质聚氨酯泡沫塑料(RPUF)之间在线性升温过程中的相互作用。结果显示,接触体系释出的气相产物组分基本上是两种独立组分释出的总和,没有新的组分产生。用微热量仪得到了140 ℃下受热10 d内TATB基PBX与硬质聚氨酯泡沫塑料及二者接触体系的热量变化曲线。用红外和X-射线光电子能谱表征了量热测试前后样品的表面结构和元素含量,显示接触后样品的表面结构和元素环境没有变化,表明TATB基PBX与聚氨酯泡沫塑料的相容性良好。     

TATB基PBX的快速烤燃实验与数值模拟

根据TATB基高聚物黏结炸药(TATB基PBX)异常环境安全性特点(例如导弹发射失败),采用固体推进剂作为燃料开展了带2 mm厚约束钢壳的TATB基PBX快速烤燃小尺寸实验,模拟推进剂燃烧时具有一定约束炸药的响应情况,并且利用实验得到的炸药表面热流通量作为边界条件,采用高阶有限元法对炸药样品升温过程进行了数值模拟。实验中测量了炸药表面温度随时间变化情况,利用温度数据和Duhamel叠加原理计算得到炸药表面平均热流通量在其点火前为19.17 kW.m-2,在此平均热流通量条件下,带2 mm厚约束钢壳的TATB基PBX点火反应时间为95 s。研究结果表明,固体推进剂燃烧会在短时间内引起TATB基PBX点火燃烧反应,但不会发生猛烈的爆燃或爆轰现象。     

非理想高聚物粘结炸药冲击起爆反应流场拉格朗日分析

为对比奥克托今(HMX)基和三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物粘结(PBX)炸药冲击起爆反应流场的差异,研究非理想PBX炸药冲击起爆爆轰成长特性,采用拉格朗日分析方法,分别以PBXC03(以HMX为主)和PBXC10(以TATB为主)炸药拉氏实验获得的压力历史曲线作为输入量。构造径线,对守恒方程进行积分,求得冲击起爆反应流场中质点速度、相对比容以及比内能的变化。比较PBXC03和PBXC10炸药反应流场,结果显示PBXC10炸药在冲击波阵面后没有明显的质点速度增长过程,能量释放过程发生在冲击波阵面处。这表明HMX基和TATB基PBX炸药爆轰成长过程的物理机制存在较大差异。     

基于分形方法的高聚物粘接炸药热导率预测模型

采用颗粒随机填充模型和分形理论,提出了基于分形维数的高聚物粘结炸药(PBX)热导率计算模型,利用该模型对填充率为20%、40%、50%、60%、80%、90%和95%的TATB基PBX的热导率进行了计算,使用闪光法对相应填充率下PBX的热导率进行了实验验证。结果表明,在20%的填充率下,本研究的热导率模型计算值与实测值的误差为20.2%,40%的填充率时达到32.8%,随着填充率进一步增加,预测误差趋于减小,在填充率为95%时误差为15.0%;PBX的热导率随着T AT B填充率的增加而升高,且本研究模型的预测结果优于半经验Hamilton-Crosser模型。     

几种乳化炸药的热分解动力学行为

采用DSC-TG联用热分析技术以升温速率分别为2.0,2.5,5.0,7.5,10 K·min-1对五种乳化炸药热分解特性进行了研究,通过非模函数Ozawa法、Coats-Redfern法和Satava-Sesták法计算了动力学参数.计算结果表明,三种动力学分析方法计算得到的活化能比较一致,五种乳化炸药热分解动力学参数计算结果可靠,推断出五种乳化炸药热分解反应的最概然机理函数.1#样品对应随机成核和随后生长机理函数; 2#和5#样品对应n=2/3的幂机理函数; 3#和4#样品对应三维扩散机理函数.     

三维纳米结构FOX-7的构筑与热分解性能

以具有三维纳米网格结构且可降解的聚缩醛胺气凝胶(PHA)作模板,采用蒸发结晶法,原位诱导1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)结晶析出,得到FOX-7/PHA复合物,然后利用硫酸的稀溶液(10%)降解去掉模板,即可得到具有三维纳米结构的FOX-7(nano-FOX-7)。高效液相色谱(HPLC)测定nano-FOX-7的纯度为99%,说明模板基本去除完全。对样品的形貌、物相、结构和热分解性能进行了表征测试。结果表明,去模板后的nano-FOX-7较为完整地保留了模板PHA的三维纳米网络结构,其中FOX-7的平均晶粒尺寸为83.68 nm。与raw-FOX-7相比,特殊的纳米多孔结构使FOX-7的转晶峰和低温分解峰分别延后11.3℃和21.3℃,放热几乎集中在高温分解峰291.0℃处,分解焓从原料的1309 J·g-1增加到1421 J·g-1,表观活化能提高了128.62 kJ·mol^-1,增幅达31.46%,能量释放效率和热稳定性大幅提高。     

水介质中N,N-二甲基-2-叠氮乙胺盐酸盐的合成反应动力学

N,N-二甲基-2-叠氮乙胺(DMAZ)是一种可替代肼类推进剂的新型低毒液体燃料。为了提高DMAZ的合成效率,利用紫外吸收光谱测定法研究了水介质中N,N-二甲基-2-氯乙胺盐酸盐与叠氮化钠反应合成N,N-二甲基-2-叠氮乙胺盐酸盐的动力学过程。结果表明,该反应为二级反应,337.15,347.15,357.15 K温度下的表观反应速率常数分别为1.337×10-3,3.403×10-3,7.082×10-3L·mol-1·min-1,表观活化能Ea为83.5 kJ·mol-1,指前因子k0为1.19×1010L·mol-1·min-1。     

耐热炸药ZXC-20的合成与性能

以2,3,4-三氟硝基苯为原料,采用硝化、成环及再硝化三步反应合成了12,52-二氟-1^4,1^6,3^4,3^6,5^4,5^6,7^4,7^6-八硝基-2,4,6,8-四氧桥连-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烃(ZXC-20)。采用溶剂挥发法得到ZXC-20·EtOH的单晶,并利用X射线单晶衍射技术表征了该单晶结构。用全自动真密度仪和综合热分析仪测定该化合物的密度和热稳定性,并采用EXPLO5 v6.01程序预测了其爆轰性能。结果表明,ZXC-20晶体属于P1空间群,晶胞参数为a=10.620(6)?,b=10.641(6)?,c=16.549(12)?。V=1524.5(16)?^3,Z=2,F(000)=788.0;在298 K下,ZXC-20的实测密度为1.912 g·cm^-3,热分解温度为333.76℃,理论爆速和理论爆压分别为8070 m·s^-1和29.5 GPa,均优于TATB,是一种潜在的含氟耐热炸药。     

AP对HATO热分解影响的机制

为详细了解高氯酸铵(AP)对5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵(HATO)热分解影响的机制,采用热重-质谱-傅里叶红外光谱(TG-MS-FTIR)联用技术、差示扫描量热法(DSC)、傅里叶红外光谱(FTIR)方法,对HATO和HATO/AP共混物的热分解特性、气体产物以及凝聚相变化进行了研究。结果表明,HATO具有两个连续热分解阶段,HATO/AP共混物则有3个热分解阶段;HATO、AP共混后,HATO使得AP熔融峰消失,AP可使HATO的热分解初始温度提前,热分解时间延长且不影响分解完全性;HATO热分解气体产物有CO_2、N_2O、HCN、NH_3、NO、N_2、H_2O,而HATO/AP共混物热分解产生气体主要有N_2、CO_2、N_2O、HCN、NH_3、H_2O、HCN、NO、HCl、NOCl;另外,采用等转化率法计算HATO和HATO/AP共混物四唑环基团的活化能分别为53.38 kJ·mol~(-1)和60.69 kJ·mol~(-1);通过对比HATO和HATO/AP共混物热分解特性以及凝聚相特征基团的变化,阐释了AP使HATO热分解温度提前的机理很可能是:AP的铵根离子与HATO之间发生了质子转移;推测AP导致HATO热分解时间延长的原因为:HATO/AP共混物产生的NH_3与热分解中间体1,1'-二羟基-5,5-联四唑(BTO)反应生成5,5'-联四唑-1,1'-二氧铵盐(ABTOX)。     

高聚物理论估算溶塑火药拉伸强度的应用研究

应用高聚物理论,从化学键、分子间力的角度对溶塑类火药的拉伸强度理论估算方法进行了探索研究。以单基药、双基药、太根药为对象,深入研究含有增塑剂火药的拉伸强度的理论计算方法。同时用材料试验机对火药的拉伸强度进行了测试,并与理论值作对比。结果表明,单基药、双基药、太根药的理论拉伸强度分别为3.8×107N.m-2,11.2×106N.m-2,10.1×106N.m-2,其实测值为3.1×107N.m-2,10.6×106N.m-2,8.9×106N.m-2。分析认为,火药的拉伸强度主要由分子间的范德华力提供,运用高聚物理论可以对溶塑火药的拉伸强度进行理论估算。