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我所PBX研究团队取得研究新进展

   近期,我所一室压装PBX设计与应用团队(简称PBX团队)在PBX安全性能改善、配方导热性能改善研究方面取得了新进展,并在2016年5月连续发表了2篇SCI论文。

  由于其中的炸药晶体与高分子粘结剂的导热系数偏低(0.5~0.6 W/mK),面临复杂的热物理环境时,炸药部件内部会很容易随着外界温度变化产生温度梯度,导致材料热膨胀不均匀而产生热应力,影响武器的使用寿命和安全。为解决这一问题,选用一种二维片状高导热石墨烯纳米片(GNPs)对PBX进行改性,发现改性后PBX的导热系数明显高于未改性的PBX,而且会随着GNPs含量的增加而增大,在含量为0.5wt%和1wt%时,导热增强效果更为明显,导热系数可达2.799 W/mK(图1a)。二维片状石墨烯纳米片与基体之间的高接触面积可以提供一种二维声子传递通路,最大化基体与导热填料之间的热流传递;而且片状石墨烯纳米片分布在网络状的粘结剂中,会比较容易相互搭建形成导热通路,最终可在PBX中形成三维导热网络,大幅提高导热性能(图1b)。此外,对GNPs填充PBX复合材料的非线性导热行为进行理论模拟,在充分考虑填料导热系数、形状因素、界面热阻等各种影响因素下,拟合得到不同体系下GNP相互作用的参数,从而对填充体系导热系数随填料浓度的变化趋势进行预测,复合材料并联传输理论值随着导热填料浓度增加明显高于串联理论值,PBX导热机理由串联逐渐向并联转变(图2a)。为考察PBX面临复杂温度变化,其抵抗热应力破坏或损伤的能力,评价环境适应性,采用第二抗热应力断裂因子(Kingery热弹理论)对不同GNP含量的PBX进行了计算,结果表明PBX的抗热应力断裂能力随GNP含量增加而大幅度提升。研究成果发表在Composites Science and Technology期刊上。(IF=3.57,中物院一区)     

 

  

 图1 (a) 不同温度下的导热系数;(b)导热网络构筑示意图

  

  

 

 图2 (a) 非线性理论模拟;(b)第二抗热应力断裂因子评估

  PBX安全性能改善研究,通常会受到配方能量、密度、力学性能等不能有较大改变的约束,提升其安全性的制约因素较多,调控空间小,具有较高难度和挑战。目前,比较有效的措施是调控炸药晶体的的品质和颗度。通过使用经特殊重结晶制备的高品质HMX替换工业品HMX,并结合颗粒级配设计技术,制备了高品质HMX基PBX,较好地解决了HMX基PBX在苏珊撞击试验中发生点火反应的撞靶速度较低的问题。经重结晶后的高品质HMX,形状更规整、分布变窄,其晶体内部空隙率(δ)减少至0.16%(工业品HMX的δ为0.30%),在制成相同密度的PBX药柱(晶体间空隙率也相同)后,其总的空隙率相应地低于由普通品质的工业HMX制成的PBX。在受到同等程度的撞击作用时,在由高品质HMX构建的PBX内部形成热点的机率就低于由普通HMX构成的PBX,点火起爆的概率下降,也就是说,需要更高的撞靶速度(45m/s)才能使高品质HMX基PBX点火(普通HMX基PBX为37m/s),其撞击安全性相应地得到大幅提高。将粗(105μm)细(20μm)两种高品质HMX按适宜比例进行级配,可使点火起爆的撞靶速度进一步增大至53m/s,从而实现改善PBX的安全性能的目的。   

  图3 高品质HMX的SEM、粒度分布及其PBX苏珊感度曲线图

  团队成立以来,三所PBX研究团队积极探索工程问题背后存在的基础理论与作用机制,从而为PBX综合性能的提升及寻找到更加有效的技术途径而努力,一年多以来,PBX团队累计发表SCI论文已达十余篇。同时,在努力探索、凝练、并产出基础科研成果的同时,团队将始终不忘初心,将工作重心更多放在解决炸药配方在武器应用中的工程问题,力争有所作为。

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