镶嵌炸药的纳米铝微团聚体的构筑及其反应特性研究

The one of important method to improve the ammunition damage power and propellant specific impulse is the use of nano-aluminum as the fuel. However, due to the large mass percentage of surface oxide layer of nano-aluminum, the reaction of nano-aluminum is inhibited. Meanwhile, nano-aluminum would prone to aggregation when processed in energetic materials, affecting the performance of energetic materials. Thus, increasing the energy release rate and enhancing the reactivity of nano-aluminum become the key bottleneck in the application of nano-aluminum. For this purpose, this project intends to choose fluoropolymer as the binder, which can react with the surface passivation layer of nano-aluminum. The electrospray method was employed to fabricate the nano-aluminum micro-spheres embedded explosives. The fabrication methods of microstructure of explosives and nano-aluminum micro-spheres were investigated. The combustion test and molecular dynamics simulation was combined to obtain the influence of composition and microstructure of micro-spheres on the reactivity. The interaction mechanism of each component in micro-spheres will be revealed, and the methods and ways to improve energy release mechanism of nano-aluminum will be established. The study of this project not only can effectively solve the problem of inhibition of the oxide layer in the reaction process, but also can significantly increase the energy release of nano-aluminum. Furthermore, it can be conducive to deeply understand the reaction mechanism of nano-aluminum, and can provide a solution to the high-efficiency damage of the weapon.

使用纳米铝是提高弹药毁伤威力和推进剂比冲的重要方法。但是由于纳米铝的表面氧化层占较大的质量百分比，对纳米铝粉的反应有着抑制的作用，同时纳米铝在含能材料中使用易出现团聚而影响含能材料性能。因此提高纳米铝的能量释放速率，增强其反应活性成为纳米铝应用中的关键瓶颈。为此，本项目拟选用对纳米铝表面钝化层具有反应性的氟化高聚物来作为粘结剂、采用静电喷雾法来构筑镶嵌炸药的纳米铝粉微团聚体，研究不同微结构炸药/纳米铝团聚体的构筑方法；采用燃烧试验与分子动力学模拟相结合的方法来获得微团聚体组成、结构对反应活性的影响规律，揭示团聚体中各组分的相互作用机制，并建立提高纳米铝释能机制的方法和途径。本项目的研究不仅可以有效解决氧化层在反应过程中的抑制问题，还可显著提高纳米铝的能量释放，有利于深入认识纳米铝的反应机制，对于实现武器的高效毁伤可提供解决途径。

使用纳米铝是提高弹药毁伤威力和推进剂比冲的重要方法。然而纳米铝的表面钝化层对其的反应有着明显的抑制作用，同时具有高比表面能的纳米铝在含能材料中使用极易出现团聚而影响含能材料性能。这里，我们采用静电喷雾的方法制备了n-Al/高能炸药、n-Al/NC和n-Al/F2314复合微球，考察了不同种类粘结剂、不同溶剂和不同种类炸药以及不同CL-20炸药含量对复合微球形貌的影响。结果发现采用硝化棉作为粘结剂、乙酸乙酯作为溶剂获得的复合微球球形度较高，采用丙酮和二甲基甲酰胺作为溶剂制得复合微球尺寸分布较大、形貌不规整。利用NASA的CEA计算程序预测了n-Al/CL-20、n-Al/HMX和n-Al/RDX产物摩尔分数随温度的变化，结果显示n-Al/CL-20相比于n-Al/HMX和n-Al/RDX的气态生成物少，并且同类生成物摩尔分数也变低。采用TG-DSC同步热分析研究了n-Al/CL-20/粘结剂、n-Al/NC和n-Al/F2314复合微球的热氧化性能。研究结果显示，复合微球中CL-20的分解较纯CL-20提前，表明纳米铝对CL-20的分解具有催化作用，而CL-20的分解对纳米铝粉的热氧化并没有促进作用，表明二者在缓慢升温速率下并没有明显的直接反应，同样的现象也在n-Al/NC复合微球的热氧化反应中观察到。有意思的是以F2314为粘结剂的复合微球的热氧化特性比纳米铝更为剧烈，表明制备的微球有着更好的热氧化特性，而相同的结果也在n-Al/F2314复合微球中观察到，表明用氟橡胶作为粘结剂能够在缓慢升温速率下和纳米铝粉的表面层反应，使得裸露的活性成分更能和氧化气氛接触从而使得反应更加剧烈。采用自制的温度跃迁探针研究复合微球的点火和燃烧性能，研究结果显示，静电喷雾制备的复合微球燃烧相比于纳米铝粉和物理混合物更为剧烈，具体表现为点火延迟小，燃烧时更短，燃烧过程出现更小的火星和从被点着到燃烧最剧烈时所需时间更短，除此之外，复合微球燃烧残渣少并燃烧残渣颗粒尺寸更小，表明燃烧更为充分。而含11.7%F2314的复合微球点火延迟最短，表明F2314和n-Al反应较CL-20更为剧烈。另外以CL-20为高能炸药的复合微球相较于HMX的复合微球，在密闭爆发器测试中反应更为剧烈，表明炸药能量越高，反应越为剧烈