基于分形和热化学分析的微纳米含能颗粒群降感机理研究

Micro-nano processing is advanced in the technologies concerning to reduce sensitivity of high energy explosives; however, this technique cannot be elucidated in theory, which makes it stiff in application. For this, based on fractal theory and thermolysis principle of energetic materials, we disposed to categorize the processed explosives which exhibit especial crystal properties to Monomolecular Energetic Granula Group (MEGG). Accordingly, the especial crystal properties can be quantified via estimating the fractal dimension and granular dimension of processed MEGG. Because varying crystal properties will incur obvious change in thermal conductivity of MEGG, the relationship between fractal characteristic and thermal conductivity will be established on a model. This model, which involving the characteristic of sensitivity reduction technology derived by micro-nano processing, will be served as a medium to make the classic theory technologizing (for micro-nano processing). By enlisting the technologized theory, the effect of changed sensitivity (after micro-nano processing) will be clarified. Meanwhile, the MEGG with different molecular structure (especial different energetic group) will be recruited to probe the dependence of the sensitivity upon their thermo-chemistry property before and after processed. The relationship between the (considerable) change in crystal property and the sensitivity change of MEGG will be disclosed in terms of investigating their thermolysis characteristics. In addition, several performances of processed explosives will be examined to justify the reduced sensitivity technology and to accumulate the information for further study in theory.

微纳米化处理是高能炸药降感技术的发展方向，而现有理论尚无法明确解释微纳米化降感技术的作用机制。针对现有理论的一些问题，基于颗粒分形理论及含能材料的热分解原理，提出了将微纳米化后的炸药归属为具有特殊晶体品质的单质含能颗粒群(MEGG)，通过计算MEGG颗粒的粒度分形维数和表面分形维数来量化它们特殊的晶体品质，研究MEGG分形特征对其热传导性的影响，用具有分形特征含能颗粒群的热传导模型来修正不具有技术针对性的经典模型，给现有理论注入微纳米化技术的特征，使其能够解释微纳米化后MEGG感度变化的原理。同时，拟选择分子结构(含能基团)有显著差异的MEGG，研究不同种类MEGG在微纳米化前后热化学性质的变化规律，从热分解特征的角度来揭示MEGG晶体品质的改变(巨变)对其感度的影响。为目前很具应用前景的微纳米化降感技术提供理论支持。另外，将初步验证微纳米化MEGG的关键性能，为下一步理论分析提供素材。

本项目是以含能材料高能化钝感化为背景提出并完成的。实际完成了含能材料微纳米化制备、建立微纳米含能颗粒群分形热传导模型、微纳米含能材料热动力学分析、微纳米含能材料感度分析、微纳米含能材料降感机理研究以及微纳米含能材料能量性能测试等几个方面的工作。具体如下：. 成功制备了纳米RDX、纳米HMX、纳米CL-20及纳米复合HMX/NC等具有纳米尺寸的含能材料，特别是纳米硝胺炸药实现了批量制备。在此基础上，通过粒度和粒度分布分析，计算了微纳米RDX和HMX的粒度分形维数，由分形数据建立了具有分形特征的微纳米含能颗粒群的热传导模型，并根据模型计算了微纳米RDX和HMX的径向和轴向热传导率，结果表明，纳米炸药具有更高的热传导率，这对炸药纳米化后感度降低的现象给予了一定解释。. 利用热分析和热动力学计算，详细研究了微纳米含能材料的热化学特性。从动力学和热力学两方面系统研究了微纳米RDX、微纳米HMX、微纳米CL-20、纳米复合NC/HMX和纳米复合NC/CL-20的热化学性质。计算了出了反应的热效应、反应活化能、反应速率常数以及过渡态产物的热化学参数。找到了反应的控制步骤，解释了纳米含能材料的感度变化机制。. 详细测试了各种微纳米含能材料的撞击感度、摩擦感度和冲击波感度，并研究了含能材料微纳米化前后粒度-感度关系的变化机制。根据Khasainov等人的粘塑性起爆理论和Merzhanov等人的自发火理论，联用其中的热点模型和含有化学源的热传质模型，分析了炸药粒度与热点温度(Th)、临界尺寸(δc)、临界温度(Tc)及临界时间(tc)等决定炸药感度的参数之间的关系。对比了理论计算结果和实验结果，判断了已有模型的适用性。该部分工作的意义在于，用实测数据和理论模型相结合的方式预测了纳米炸药比微米炸药更钝感。. 测试了微纳米RDX和微纳米HMX的爆轰性能。结果表明，纳米化后炸药的能量不但没有降低，还有少量的提高。这说明纳米炸药很有希望应用在高能不敏感弹药中。