纳米金属粉催化氮杂环硝胺快速反应的机理研究

目前对于纳米金属粉催化含能材料的机理研究，大多限于热分析方法。本项目旨在以激波管为加载工具，利用由多台单色谱仪组成的瞬态谱测试系统，对氮杂环硝胺类化合物快速反应的中间产物信号进行同步采集，利用获取的信号数据来研究氮杂环硝胺快速反应的动力学特征。并拟从热力学与动力学两方面的计算证明纳米金属粉对氮杂环硝胺快速反应是否可行，将证明可行的反应通道补充到原来的通道中，通过理论和实验相结合的方法揭示高温高压条件下纳米金属粉催化氮杂环硝胺类化合物快速反应的机理。本项目的研究不仅具有重要的军事和工业安全应用背景，而且还具有较高的理论研究意义。

纳米金属粉对含能材料快速反应的催化作用是一个相当复杂的物理化学过程，本项目实验上研究了入射激波作用下不同的纳米金属粉催化RDX和HMX快速反应的过程，测量了几种重要的反应产物出现的时间以及辐射强度，并且对它们催化能力的强弱进行了比较。研究发现：纳米金属粉对RDX和HMX快速反应均有明显的催化作用，其催化能力的强弱关系依次是：n-Al ＞n-Cu＞n- Fe＞ n-Zn。理论上利用化学反应动力学软件重点对纳米铝粉催化黑索金快速反应机理进行了计算，结合实验测定的主要产物的出现时间、拐点时间和最大峰时间，对含能材料快速反应的反应通道进行修正，对原先的反应通道给予适当的添加或删减，并且对反应通道的速率K：K=ATβexp（-E/RT）中的A、β、E给予调整，使得根据修改后的参数所拟合出来的曲线和在实验中测到的主要产物出现时间及拐点时间、最大峰时间尽量的吻合；由此得到的简化反应模型着重考虑主要路径，舍弃影响较弱的反应，提出了在实际的实验条件下纳米铝粉催化黑索金快速反应机理模型；并对于纳米金属粉对RDX(HMX)快速反应的催化机理给以如下解释：入射激波作用下，气相状态的金属物与RDX(HMX)的反应产物分子反应时释放大量热，提高了系统的反应速率。中间产物受激发辐射的强度随温度的升高而加强，因此辐射强度也增大。由于不同气相状态的金属物与RDX(HMX)的反应产物分子反应时释放热量的值不同，导致系统的反应速率的增幅也不相同；其次，有的气相状态的金属物可以和含能材料中间产物在反应中生成不稳定的中间化合物，改变了反应途径，降低了表观活化能，同时也温度的升高也提高了反应速率的指前因子，这就极大地提高了反应速率，缩短了反应产物的出现时间。而有的气相状态的金属物则不能和中间产物发生作用，这些都是导致不同纳米金属粉催化效果的差异的原因。. 发明了基于激波动态混合的硝铵类炸药方法和爆炸装置，这种装置实现了金属纳米粉/硝铵类炸药快速反应的动态混合，不仅增大了爆炸威力，而且还能模拟新型硝铵类炸药快速反应时的真实状态。本发明具有简单易行，价格便宜，可重复使用等优点， 可广泛应用于各种炸药爆炸。