炸药多层微结构降感设计及冲击响应研究

Desensitizing of single compound explosives is the key of improving the safety and survival capability of weapon and ammunition systems. Impact load is an important factor of hot-spot’s formation, propagation and detonation of the explosives. Optimal design and precise control of desensitizing coating layer are key problems to be solved urgently for the purpose of efficiency improvement of cushion effect and energy absorption. In this work, the acoustic impedance match designing principle of layered structure cushioning materials and surface coating of single compound explosive particles will be combined. Optimal design of coating layer will be carried out following the designing principle of acoustic impedance match based on different coating materials’ acoustic impedance characteristics. The multilayer of explosive particles’ surface will be built according to the design scheme. And the impact response regularity of explosives with different micro structure coatings will be further studied. The common acoustic impedance match principal of macroscopic materials will be introduced into mesoscale. And fabrication of cushion layer with higher energy absorption efficiency at the same level of thickness will realize efficient desensitization of explosives. The results will provide not only theoretical basis for an insight understanding of shock responses of explosives at mesoscale, but also a new approach to balance their energy and safety. Therefore, this study has significant academic values and alluring prospect.

单质炸药的降感是提高武器弹药系统安全性及生存能力的关键，而冲击载荷是引发炸药内部热点形成、传播并最终导致爆轰的重要因素之一。如何对单质炸药降感包覆层的结构进行优化设计与精确调控，以增强其对冲击载荷的缓冲作用和对外界刺激能量的吸收效率，是亟待解决的关键问题。本项目拟将多层结构缓冲材料中的波阻抗匹配设计原理与单质炸药颗粒表面包覆方法相结合，针对不同包覆材料的波阻抗性质，开展包覆层多层微结构的优化设计，依据设计方案对单质炸药颗粒实施多层包覆，并深入研究具有不同多层微结构包覆层炸药的冲击响应规律。将宏观材料中常用的多层结构波阻抗匹配设计原理引入介观尺度，在相同包覆厚度条件下构筑更高效的能量吸收缓冲层，有望实现单质炸药的高效降感，可为深入掌握炸药在介观尺度下冲击响应规律提供理论依据，为平衡其能量与安全性提供新的途径，该研究具有重要的学术价值和广阔的应用前景。

本项目将多层结构缓冲材料中的波阻抗匹配设计原理与单质炸药颗粒表面包覆方法相结合，选取了不同种类的包覆材料，针对其各自的波阻抗性质，开展了包覆层多层微结构的优化设计，依据设计方案对单质炸药颗粒实施多层包覆，并研究了具有不同多层微结构包覆层炸药的冲击响应规律。分别分析了线弹性波与冲击波在分层结构中的传播规律，研究发现，对于一维线弹性应力波与冲击波，相邻介质的波阻抗之比决定了应力波峰值的透反射关系，不同波阻抗排列次序的多层介质对波的峰值影响不同。对于波阻抗依序递增（或递减）的多层材料与单一界面相比，其透射应力波强度反而更大，只有当多种材料按照“软”、“硬”相间的顺序排列，才是削弱线弹性应力波及冲击波强度的最有效方式。通过单宁酸（TA）与铁离子（Fe3+）配位作用，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚多巴胺（PDA）、聚乙烯亚胺（PEI）等聚合物材料在酸性条件下的表面组装等手段，获得了单质炸药颗粒表面包覆层多层微结构的构筑方法与精确、高效的调控方式，获得具有不同多层微结构包覆层的炸药颗粒。获得包覆层多层微结构对单质炸药颗粒力学特性的影响规律，以及具有不同多层微结构包覆层的炸药冲击响应规律，与包覆层的微结构理论设计方式进行了对比。