超晶格亚稳态分子间含能材料的构筑及其燃爆特性研究

As a remarkable character of advanced energetic materials, high energy provides important guarantee for to improve the ammunition power of modern weapon systems. Explosive molecules are mainly composed of C, H, O and N elements; it is limited to improve the energy density of explosive because of small atomic mass and numbered chemical bonds. Although energetic composites can raise more opportunity to increase the energy via introducing more elements, they can only show low release energy velocity and unstable performance resulting from the disordered structure and the long mass transfer distance. In this program, a novel route is proposed to construct superlattice metastable intermolecular energetic material by taking the fluorine polymer or metal oxide as an oxidizer and the highly reactive metal play the roles of a reducing material. Thus the structure with highly ordered and periodic can be constructed for the implementation of high energy density under sub-nanometer dimension. Superlattice energetic materials are designed and constructed by theoretical simulation and experiment. Moreover, combustion-explosion characteristics will be investigated through the combination of theoretical modeling and experimental research, and the relationship and principle between the reaction rate and the key parameters of structure and composition will be obtained. The objective of this research word is to raise a novel approach for designing high energy density energetic material structures, and it can also favor the enrichment of various preparation techniques of more energetic composites. Furthermore, this work can provide valuable references to understand basic physical problems, such as mass transfer and heat transfer of the reaction process of energetic composite materials.

高能量作为先进含能材料的一个显著特征，是提升弹药武器威力的重要保障。单质炸药分子主要由CHON元素组成，受原子质量和堆砌方式限制，能量密度提升的空间有限；而复合含能材料虽可引入更多元素提高能量，但受扩散过程的控制，能量释放速率低且燃烧反应性能不稳定。本项目提出一种新的思路构筑高能量密度含能材料，即选择氟聚物或金属氧化物作为氧化组分、高活性金属作为还原组分，在亚纳米尺度构筑高能量密度、高度有序、周期性的超晶格亚稳态分子间含能材料。采用理论模拟与试验结合实现超晶格含能材料的设计与制备；在此基础上对其燃烧-爆炸特性进行理论模拟和试验研究，获得这种新型结构材料的燃烧反应速率与组成、结构等参数之间的关系和规律。本项目的研究将为高能量密度含能材料的结构设计提供一种新的方法和思路，为新型复合结构含能材料制备积累技术基础，对反应规律的认识有利于深入理解复合含能材料反应过程中传质和传热等基本物理问题。

在本项目的资助下，研究团队采用强氧化剂氟、高活性金属为还原剂，通过物理沉积(磁控溅射)和自设计的化学沉积(原位化学气相沉积)的方法，以超晶格和核壳结构的方式，以原子或者分子団簇为单元，在亚纳米尺寸形成超结构含能材料，实现高能量密度和快速稳定能量释放，并研究超结构含能材料的燃烧反应行为与机制。发明了超晶格材料为基的微含能器件集成技术，获得基于超晶格为基的微含能点火和毁伤器件。本研究将含能材料和超晶格相融合，为含能材料的设计和制备提供了一种新的方法、超结构的PTFE-Al、PTFE-Mg集成的MEMS含能器件可用于航天航空。核壳结构的PTFE-Al在高能金属化炸药方面具有潜在应用。 .1、首次在国际上提出超晶格含能材料概念，采用强氧化剂（PTFE），高活性金属(铝、镁和硼)作为还原剂，通过理论计算和自组装沉积以団簇为单元在亚纳米尺寸成功的构筑了高度有序、周期性的超晶格PTFE-Al、PTFE-Mg和PTFE-B含能结构，并研究了超晶格含能材料的在微尺度下的能量释放特性和燃烧反应行为。结果表明，超晶格PTFE基含能材料在5um 厚的尺寸下能自持燃烧，反应放热量提高10倍。.2、设计了核壳结构含能材料和原位化学气相沉-自由基聚合方法制备了核壳结构PTFE-Al。采用原位自由基聚合在新鲜纳米铝粉表面包覆PTFE，获得了核壳结构PTFE-Al提高了纳米金属粉稳定性和能量密度，并研究获得了核壳结构PTFE-Al燃烧反应特性。此结构和原理推广到复合含能材料的制备，获得核壳Co3O4-Al纳米复合物。采用原位化学气相沉积方法制备核壳结构PTFE-Al为高活性纳米金属粉的钝化和高能量密度含能材料的制备提供一种新的思路和制备方法，核壳结构PTFE-Al在高能金属化炸药方面具有潜在应用前景。.3、发明了基于超晶格含能材料为基的微含能器件的集成与功能化设计方法和技术。提出了完整的、完全兼容MEMS工艺的薄膜加热器、微点火芯片的结构设计和集成方案，以超晶格PTFE-Al材料，在国际上首先设计出超晶格PTFE的微点火芯片，并进一步开发出基于软毁伤和硬毁伤效应的微自毁芯片。