基于小角散射技术研究高品质炸药的晶体缺陷

The crystal defects have important effects on the the safty of explosives and the defects are unavoidable in the process of preparation. Small angle scattering technique is well suited for microstructures characterization of explosives. Small-angel neutron scattering technique combined with contrast viariation will be taken on a range of RDX and HMX samples with different preparation methods and sensitivity. The internal defects, surface defects, and neutron scattering invarients of the samples will be calculated and the results can contribute to understanding the relationship among sensitivity, preparation, and defects. The anisotropic scattering issue of RDX and HMX will be studied by small-angle X-ray scattering. The ratio of anisotropic defects in different crystal planes will be measured on RDX single crystals. The type and formation causes for anistropic defects will be investigated with the crystal structures, nucleation and growth theory, and other characterization techniques. This program also intends to optimize the function of MySAS package developed in our group. The research results are of advantage to improving the safty of explosives and developing the next-generation explosives.

晶体缺陷在炸药的制备过程中不可避免并且对炸药的安全性具有重要影响。小角散射技术可以精确的测量炸药的缺陷，是研究炸药缺陷的有力工具。本项目拟采用中子小角散射技术的衬度变换方法，对比研究不同感度、不同制备工艺RDX、HMX炸药晶体的内部缺陷、表面缺陷以及积分不变量等结构信息，初步建立感度、制备工艺与中子小角散射结果（内部缺陷、表面缺陷）的关联。采用X射线小角散射技术研究RDX、HMX高品质炸药晶体的各向异性散射问题，获得不同晶体学取向上各向异性缺陷的比率，结合炸药晶体结构、形核生长理论和其它表征技术研究各向异性缺陷的存在形式和成因，进而为提高炸药的安全性提供新的解决思路。本项目拟针对特定炸药散射体系，进一步完善自主开发的MySAS小角散射数据分析软件。本项目拟取得的研究成果对提高炸药的安全性以及研发下一代新型炸药具有重要意义。

对炸药的晶体缺陷进行精细的结构表征是深入研究炸药宏观力学性能和爆轰性能的关键。小角散射技术（SAS）是准确测量材料内部纳米尺度结构缺陷的有力工具。本项目采用SAS技术，对比研究了不同制备工艺RDX、HMX和CL-20炸药的晶体缺陷及演化过程。X射线小角散射（SAXS）研究发现，炸药晶体具有明显的各向异性散射行为，一定的温度和压力作用后，晶体开裂（破碎），各向异性散射消失；首次使用取向圆柱模型对RDX单晶的各向异性散射进行了拟合，结果表明平行于(210)晶面的细长棒状缺陷的平均直径为26 nm。建立了中子小角散射（SANS）衬度变换技术表征炸药晶体内部缺陷的方法，并测量了不同制备工艺HMX的内比表面积和外比表面积，Porod定理表明，50-100 μm粒度的HMX样品具有最低的内比表面积（晶体品质最佳）。SANS和SAXS技术发现HMX晶体在相转变之后，内部纳米尺度缺陷数量会明显增加，对数正态分布拟合结果表明产生了10-30 nm的新缺陷。初步建立了SAS结果与感度、制备工艺的关联，初始缺陷尺寸和数量小的高品质HMX的感度优于原料的感度。此外，研究团队对已开发的MySAS小角散射数据分析软件进行了升级和优化，增加了批处理功能和灵活的数据读取方法，大大提高了批量数据的分析效率；使用SAS技术对聚氨酯炸药粘结剂的环境适应性进行了必要的探索工作。本项目建立的小角散射研究方法和取得的科研成果，为进一步研究高聚物粘结炸药（一种结构更加复杂、具有使用价值的非均质炸药）的微结构演化和内损伤形成机制奠定了基础。