微纳结构含能复合物的喷墨打印成型及应用基础研究

来源 :中北大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:zibinxin
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喷墨打印技术具有精度高、灵活性强和自动化程度高的特点,是微机电系统(MEMS)引信安保装置中传爆序列用药剂装填的重要研究方向之一。本论文分别以太安(PETN)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)和3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)炸药为主体炸药,配制了全液式炸药油墨,利用喷墨打印装置沉积成型,制备出微纳结构含能复合物,并重点考察了其微尺寸传爆性能,研究成果对于喷墨打印技术在微尺寸装药领域的应用具有一定的推动作用。首先,以PETN为主体炸药,乙基纤维素(EC)、Viton和聚叠氮缩水甘油醚(GAP)为粘结剂,丙酮为共溶剂,配制出全液式炸药油墨,通过喷墨打印装置沉积成型,得到了PETN/EC、PETN/EC/Viton、PETN/Viton和PETN/EC/GAP等四种含能复合物。采用电子密度仪、电子显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、差式扫描量热(DSC)、纳米压痕仪和粘结强度检测仪等对复合物的成型密度、单层厚度、微观结构、晶型、热安定性、力学性能和粘附强度进行了测试和表征,并对其进行机械感度和微尺寸传爆能力的测试分析。结果表明,PETN/EC、PETN/EC/Viton、PETN/Viton和PETN/EC/GAP的成型密度分别为理论最大密度(TMD)的86.09%、73.92%、78.74%和79.88%。与原料PETN相比,四种复合物具有更好的热安定性和更低的机械感度。PETN/EC、PETN/EC/Viton、PETN/Viton和PETN/EC/GAP复合物的爆轰临界尺寸分别为1 mm×0.108 mm、1 mm×0.101 mm、1 mm×0.140 mm和1 mm×0.011 mm,展示出良好的微尺寸传爆能力。爆速测试结果显示,在1 mm×1 mm装药尺寸下,PETN/EC/Viton复合物和PETN/EC/GAP的爆速分别为6204 m·s-1和7110m·s-1,均能可靠起爆PBXN-5药柱,表明GAP的加入可显著提升复合物的微尺寸传爆能力。其次,以CL-20为主体炸药,硝化棉(NC)/EC和GAP为粘结剂,乙酸乙酯为共溶剂,配制出两种全液式炸药油墨,利用喷墨打印装置沉积成型,获得CL-20/NC/GAP和CL-20/EC/GAP复合物。利用电子密度仪、电子显微镜、SEM、XRD、DSC、粘结强度检测仪等对复合物的成型密度、单层厚度、微观结构、晶型、热安定性和粘附强度进行了测试和表征,并对其进行机械感度和微尺寸传爆能力的测试分析。结果表明,CL-20/NC/GAP复合物和CL-20/EC/GAP复合物中炸药颗粒均呈类球形,其中,CL-20/NC/GAP复合物中炸药粒径小于1μm,CL-20/EC/GAP复合物中炸药粒径处于1μm左右,均紧密连接在粘结基体上,两种复合物的成型密度分别为86%TMD和85.5%TMD,达到1.70 g·cm-3及1.66 g·cm-3。与原料CL-20相比,两种复合物机械感度有所下降。传爆性能表明,两种复合物具有卓越的微尺寸传爆能力,其中CL-20/NC/GAP复合物和CL-20/EC/GAP复合物的爆轰临界尺寸分别为1 mm×0.0096 mm和1 mm×0.069 mm,1 mm×1 mm装药尺寸下的爆速值分别高达8347 m·s-1和8013 m·s-1,均可靠起爆了PBXN-5药柱。XRD图谱显示,两种复合物中的CL-20为亚稳态的β-CL-20。进一步的研究表明,改变炸药配方中粘结剂种类及含量,并不能实现β-CL-20向ε-CL-20的转变,而降低溶剂挥发速率是控制CL-20晶型转变的有效路径之一。最后,以DNTF为主体炸药,NC、EC、GAP和Viton为粘结剂,丙酮为共溶剂,配制出全液式炸药油墨,利用喷墨打印装置沉积成型,获得DNTF/NC/Viton复合物和DNTF/环三亚甲基三硝胺(RDX)基含能复合物。利用电子密度仪、电子显微镜、SEM、XRD、PDSC、粘结强度检测仪等对DNTF/NC/Viton复合物的成型密度、单层厚度、微观结构、晶型、热安定性和粘附强度进行了测试和表征,并对其进行机械感度和微尺寸传爆能力的测试分析。利用工业CT、电子密度计、SEM、XRD和PDSC对DNTF/RDX基含能复合物进行测试和表征,并测试和分析了其微尺寸传爆能力。结果表明,DNTF/NC/Viton复合物的密度为1.785 g·cm-3,达到93.16%TMD。复合物内部的DNTF颗粒呈球形,粒径为1-2μm,紧密连接在粘结基体上。与原料DNTF相比,DNTF/NC/Viton复合物具有良好的热安定性和较低的机械感度。传爆测试表明,DNTF/NC/Viton复合物具有卓越的微尺寸传爆能力,爆轰临界尺寸为1 mm×0.0081 mm,1 mm×1 mm装药尺寸下,爆速值高达8580 m·s-1。DNTF/RDX基含能复合物的研究表明,复合物具有良好的一致性,成型密度值较高,均达到90%TMD以上。DNTF/RDX基含能复合物同样具有一定的微尺寸传爆能力,可在1 mm×0.32 mm以上尺寸稳定爆轰。进一步研究表明,DNTF的低熔点,是其喷墨打印中高密度的主要原因。
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