CL-20炸药性能研究

通过理论计算和基础试验，对高能量密度材料CL-20的主要性能进行了研究和测试，给出了CL-20的爆炸能量、机械感度以及耐热特性。试验表明，CL-20炸药的爆炸能量和机械感度高于HMX，耐热性与RDX相近。     

粒度级配对CL-20基炸药油墨流变性能的影响

为了研究粒度级配对CL-20基炸药油墨流变性能的影响,制备了粒径分别为400nm和4μm的CL-20样品,以及7种不同粒度级配的CL-20基炸药油墨;采用博勒飞(CPS)流变仪对炸药油墨进行了黏度测试,得到了相应的流变数据,并计算出非牛顿指数、屈服值和触变指数。结果表明,炸药颗粒的粒度级配对炸药油墨的流变性能有着十分明显的影响;随着粒径为4μm的CL-20含量的增多,炸药油墨表观黏度出现先减小后增大的现象;同时,非牛顿指数出现先增大后减小的现象,屈服值和触变指数总体上呈现先减小后增大的现象;当炸药油墨中粒径分别为400nm和4μm的CL-20质量比为1∶2时,炸药油墨的非牛顿指数为最大值0.41,屈服值和触变指数均达到最小值,分别为26.73和8.74,表明在该粒度级配条件下,炸药油墨具有更好的流变性能。     

CL-20/DNT共晶炸药的制备及其性能研究

以丙酮为溶剂,通过蒸发结晶法制得六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/二硝基甲苯(DNT)共晶炸药。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和热重/差示量热法(TGA/DSC)研究了共晶炸药的形貌、结构和热分解特性,测试了CL-20/DNT共晶炸药的机械感度和5s爆发点温度,并计算了其爆轰性能。结果表明,共晶炸药的微观形貌不同于原料CL-20,呈条状晶体;衍射峰明显不同于CL-20/DNT物理混合物的衍射峰,表明有新物相生成。在DSC曲线上,CL-20/DNT共晶几乎没有DNT的熔化吸热峰,而CL-20/DNT物理混合物中有明显的熔化峰,且二者的放热峰峰形和峰位不同;与原料CL-20相比,共晶炸药的分解峰温提前了21℃,放热量(ΔH)和最大热流量(Qmax)分别增加了39%和104%。与CL-20/DNT物理混合物相比,共晶炸药的5s爆发点温度和表观活化能分别增加3.9℃和65.7kJ/mol,撞击感度降低88.9%,摩擦感度降低40%,说明共晶炸药热稳定性增强。CL-20/DNT共晶炸药的理论爆速达到8 340m/s。     

CL-20基含铝炸药组分微结构对其爆炸释能特性的影响

为了改善铝粉在CL-20基含铝炸药中的反应动力学特性,利用溶剂-非溶剂法制备了CL-20/Al复合颗粒,实现了CL-20与Al在微结构上的紧密结合,通过直接法制备了由CL-20/Al复合颗粒构成的组分质量分数为85%CL-20/10%Al/5%黏结剂的含铝炸药,并与常规法制备的相同组成的CL-20基含铝炸药进行了机械感度、爆热、爆炸罐试验和圆筒试验等结果的对比。结果表明,CL-20/Al复合颗粒会使含铝炸药的撞击感度略有提高,而摩擦感度不变,但总体上对机械感度影响不大;通过CL-20/Al在微结构上的复合,缩短了Al粉与爆轰产物之间的扩散距离,可以显著改善Al粉的反应动力学性能,提高Al粉在含铝炸药爆炸过程中的反应完全性,促使部分Al粉在爆轰区内参与反应,相比于常规法制备的相同组成的含铝炸药,可使含铝炸药的爆热从6787J/g提高至6930J/g,爆炸罐内爆炸场最高温度从544.3℃提高至661.2℃,格尼系数由2.88mm/μs提高至3.10mm/μs。     

压装工艺对CL-20基炸药性能及聚能破甲威力的影响

利用常温成型和热压成型两种工艺制备了典型的CL-20基混合炸药装药,测试了其装药密度、密度均匀性、力学性能、爆速,计算了格尼系数。对Φ50mm标准聚能装药进行了破甲试验。验证了不同压装工艺条件下装填CL-20基炸药装药聚能射流对45号钢靶的侵彻深度和穿孔直径效果。结果表明,与常温成型CL-20基装药相比,热压成型工艺条件时装药的密度提高不小于1.46%,密度均匀性、爆速和格尼系数和破甲能力试验数据均有不同程度的提高,且Φ50mm标准聚能射流对45号钢靶的平均穿深从310mm提高至343mm,平均穿孔直径由18.0mm增至23.5mm。     

纳米碳管对CL-20热分解性能的影响

用DSC和TG研究了含纳米碳管的CL-20热分解特性。结果表明,纳米碳管的加入降低了CL-20的起始分解温度和分解峰温度,活化能由原来的184．3kJ／mol降低为172．2kJ／mol,放热量也由原来的2604．48J／g降低到2256．69J／g。同时,随着纳米碳管百分含量的增大,CL-20的起始分解温度、分解峰处温度、活化能以及放热量都逐步降低。     

高固含量CL-20基炸药油墨的3D微喷打印成型及性能

为了获得微尺度爆轰性能优良且与3D微喷打印工艺兼容的悬浮式炸药油墨配方,以水溶性壳聚糖(CS)和聚乙二醇-4000(PEG-4000)为复合黏结体系,亚微米CL-20为主体炸药,设计和制备了高固含量CL-20基炸药油墨,并通过3D微喷打印平台进行打印成型。采用扫描电镜(SEM)、激光共聚焦显微镜、X射线衍射仪(XRD)对成型样品的形貌结构进行了表征;采用差示扫描量热仪(DSC)、机械感度仪和静电感度仪分别测试了样品的热分解性能、机械感度和静电感度,并对微型打印样品的爆轰性能进行了测试。结果表明,CL-20质量分数为90%时,打印成型样品表面宏观比较平整,但微观平均粗糙度约为14.58μm,内部结构均匀,层间无明显孔隙,成型样品中CL-20的晶型为ε型;与亚微米CL-20相比,油墨成型样品的表观活化能增加了5.94kJ/mol,其撞击、摩擦和静电感度分别下降了1J、80N和0.21J;微型传爆药打印样品的成型密度为1.515g/cm³,爆轰临界尺寸和爆速分别为1mm×0.135mm和7484m/s。     

高能量密度化合物CL-20应用研究进展

回顾了CL-20在应用领域内的研究进展,介绍了军用含能化合物实用性的标准、CL-20在混合炸药、推进剂、发射药中的应用特点及应用成果。其中某些混合炸药配方如PAX-11、PAX-12及PAX-29等混合炸药已克服了CL-20感度较高的缺点,较大幅度的提高了配方的威力;含CL-20的推进剂虽然感度稍高,但具有能量输出高、低特征信号的优点;含CL-20的发射药比含RDX的发射药能量有所提高,而感度与之相当。结果表明,CL-20的研究已从实验室研究阶段进入到应用研究阶段,这些研制成功的配方,其中有些已达到或接近在武器装备中使用的水平。     

黏结剂对CL-20/FOX-7基PBX性能的影响

为了研究黏结剂对CL-20/FOX-7基PBX性能的影响,分别以Estane、EPDM、ACM、EVA为黏结剂,采用水悬浮法制备了含有不同黏结剂成分的CL-20/FOX-7基高聚物黏结炸药(PBX);采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、激光粒度分析仪、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)对样品结构、形貌和热分解特性进行了表征;使用撞击感度测试仪、摩擦感度测试仪和小型烤燃实验装置测试了不同样品的机械感度和烤燃特性。结果表明,以EVA为黏结剂制备的CL-20/FOX-7基PBX造型粉颗粒密实,表面光滑且没有脱粘外漏现象,包覆粘结效果最好;以EVA为黏结剂制备的PBX活化能较细化CL-20提高了87.75 kJ/mol,较FOX-7原料提高了42.52 kJ/mol,说明使用EVA的PBX热稳定性较原料有一定提升;同时该PBX样品特性落高(H 50)较细化CL-20提高25.6 cm,摩擦感度爆炸概率降低52%,较使用Estane、EPDM和ACM的PBX样品机械感度更低;使用EVA的PBX药柱在升温速率为6K/min的慢速烤燃条件下,烤燃反应等级为燃烧,说明该配方能够达到烤燃安全试验要求,安全性能较好。     

CL-20粒度对GAP/AP/Al高能推进剂燃烧性能的影响

为了研究CL-20粒度对含Al高能固体推进剂燃烧性能的影响,通过捏合浇铸工艺制备了含不同粒度CL-20(14μm、115μm)的GAP/AP/Al高能推进剂,采用靶线法测定了推进剂在不同压强下的燃速,并计算了压强指数;利用微型高温热电偶测温技术、燃烧火焰单幅照相技术研究了CL-20粒度对该推进剂燃烧性能影响的机理。结果表明,7～18MPa下含粗粒度(115μm)CL-20的GAP/AP/Al推进剂的燃速比含细粒度(14μm)CL-20的推进剂高7%～37%;2～10MPa下前者压强指数为0.52,后者为0.46;粗粒度CL-20较细粒度提前进行部分分解,分解产物除催化自身分解反应外,还促进了AP的分解,从而提高了相应推进剂凝聚相反应区的温度攀升速率,并使推进剂的燃速更高。     

CL-20的合成及应用

概述了高能量密度化合物CL-20的合成及其在高性能固体推进剂、高性能混合炸药、低信号特征推进剂、高燃速推进剂和高性能火炮发射药等技术领域的研究进展,并对其应用前景进行了展望。     

CL-20基含铝炸药爆轰波阵面法向速度与曲率的关系

采用高速扫描相机及电探针测速法测量了具有相同铝含量的CL-20基和RDX基含铝炸药的拟定态爆轰波形及爆速,分析了炸药波阵面法向速度Dn与曲率κ之间的函数关系。结果表明,CL-20基含铝炸药的爆轰波阵面较RDX基含铝炸药的平坦,其法向爆速受曲率效应的影响也较RDX基含铝炸药的小。当κ0.005mm-1时,其法向爆速的下降速率明显小于RDX基含铝炸药;当κ0.005mm-1时,其法向爆速的下降速率略高于RDX基含铝炸药。     

绿色硝解合成六硝基六氮杂异伍兹烷

以2,6,8,12四乙酰基-2,4,6,8,10,12六氮杂四环[5．5．0．0^3.11．0^5.9]十二烷（TAIW）为原料,利用绿色硝化剂五氧化二氮在硝酸介质中硝解制得CL-20。该方法通过改变硝化剂,不仅避免使用浓硫酸,而且原子经济性高,具有良好的环境效益。用元素分析、红外光谱、核磁共振、质谱等对其结构进行了检测和表征,并探讨了反应温度和反应时间对CL-20产率的影响。实验结果表明,当反应温度为0℃,反应时间为1h时,CL-20的最佳产率达62％。     

纳米CL-20炸药含能墨水的直写规律

针对MEMS引信中微传爆序列,基于直写技术,研究了由纳米CL-20炸药、黏结剂体系(包括黏结剂和溶剂)和其他添加剂组成的CL-20炸药墨水的直写特性,并制备了3种含能墨水。分析了直写压力、针头直径、直写高度和墨水黏度等因素对直写过程的影响规律。结果表明,随墨水黏度增大,直写线宽减小且减小幅度增大,但黏度过度偏大时,会影响直写线宽的均匀性,配方I在喷头高度为0.50mm和0.75mm时,以及配方III在喷头高度为0.75mm时,均出现了线宽不均的现象;配方II直写线宽稳定更适合直写装药。随着喷管压力的增大,CL-20油墨的打印线宽明显增加,且对于不同针头直径和不同配方墨水压力大小变化相同,线宽的增幅基本相同,当压力由100kPa增加到200kPa,线宽增大约2.5倍。随着喷头内径的增大,油墨的直写线宽明显增大,且线宽增加的幅度越来越大。随着喷头高度的增大,油墨的直写线宽减小。对于直写线宽大于1 285μm的墨水线条,固化后墨水表面均出现气泡,直写时应控制线宽,防止在直写过程中空气进入墨水。     

一锅法制备CL–20混合炸药的工艺研究

以CL–20为主体炸药,聚氨酯5702为黏结剂,Span60为表面活性剂,通过一锅造粒法制备了CL–20混合炸药。用单因素实验对影响CL–20混合炸药包覆效果和撞击感度的因素进行了研究,对包覆后的CL–20混合炸药的相关性能进行了测试,得到最佳工艺条件:水浴温度65℃,搅拌器电压为90 V,驱溶时间为1 h,2次加入溶剂的量与高聚物的质量比为4:1。     

CL-20/TNT共晶炸药热分解机理的原子模拟

利用反应力场(ReaxFF)分子动力学方法,研究了CL-20/TNT共晶高温热分解的反应动力学过程与温度和密度的关系;分析了势能和物种数量的演化分布及CL-20和TNT热分解反应的衰减动力学和反应动力学参数。产物识别分析表明,CL-20上-NO_2键的断裂是共晶热分解的初始反应路径。随着共晶密度的增加,CL-20和TNT分解的反应能垒均升高。TNT的分解过程对CL-20的分解有抑制作用。N2、H2O、CO_2为共晶热分解的最终产物,产生速率大小依次为N2H2OCO_2。