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科研进展

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科研进展

晶体科学团队在LLM-105和FOX-7炸药晶体研究中最新进展

一、炸药LLM-105晶体形态和粒度控制研究取得新进展

炸药晶体的形状及粒度分布直接关系着炸药加工过程中的流变性、安全性和加工技术,进而对武器装药的固含量、冲击波感度、力学性能和弹道等应用性能产生重要影响;内外部缺陷、杂质、密度等直接影响其安定性、机械强度、感度和输出能量,也影响着火工品的爆炸性能、感度、定容装药、威力以及武器的长储性等。因此,随着现代武器的发展,人们在炸药应用的过程中,对炸药的晶体微结构、形貌、颗粒度大小及分布等晶体颗粒形态提出了越来越高的要求。如何提高炸药的晶体质量和形态已成为炸药制备研究的一个重要部分。

1--2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪(LLM-105)具有晶体密度高、物理性能优异、安全性能好、能量比TATB20%的特点。由于分子内存在的π共轭体系以及强烈的分子内氢键作用,使得LLM-105耐热性能优异(对撞击、火花、摩擦和冲击波刺激钝感,是一种典型的高能低感炸药。长期以来,国内外对LLM-105的研究主要集中在合成工艺及传爆药、主炸药、配方与性能研究方面,而对LLM-105结晶控制方面开展的工作相对较少。对此,本团队围绕LLM-105开展了系列结晶工作。

直接合成的LLM-105除了含有酸等杂质外,其晶体形貌大多为孪晶、多晶等不规则形状,从而严重影响了其成型性、安全性和力学等性能。但由于LLM-105在一般溶剂中的溶解性差,其结晶研究比较困难。为消除或降低其杂质,改善颗粒形貌,提高晶体质量,课题组首先从LLM-105的溶解特性等基础研究出发,获得了在5种溶剂体系中的溶解度数据以及溶解熵、焓等等热力学基础数据,为LLM-105结晶方法和工艺条件选择提供了依据。

基于溶解特性等结晶热力学数据,采用多种结晶方法相结合和形貌修饰技术,进行了晶体形貌修饰和粒度调控等方面的大量研究,通过一年多的努力,终于解决了形貌控制的难题,获得了棒状、柱状、宝石状等规则形状晶体的LLM-105晶体,而且这些晶体的内部缺陷少,晶体品质高。

在突破晶体形貌控制基础上,为满足配方要求,需要制备不同粒度的LLM-105晶体。粒度控制是结晶操作中的最关键技术,由于受晶体成核和生长等多因素的影响也是最难以控制的环节,再加上LLM-105的在常规溶剂中的难溶特性,因此要实现不同粒度LLM-105颗粒制备是非常困难。目前我们突破了细颗粒和中等颗粒LLM-105制备的关键难题。通过电子显微镜和光学显微镜观察,可看出我们生产的高品质细颗粒LLM-105的晶体形貌及晶体质量明显优于经过球磨处理的LLM-105和其原料。通过感度测试发现高品质细颗粒LLM-105撞击感度(8-12%)显著低于球磨处理的LLM-105细颗粒(70-80%)。目前批量制备为百克量级,制备工艺较稳定且产品质量重复性好。而中等颗粒LLM-105的放大还在研究之中。

通过电子显微镜和光学显微镜观察,可看出我们生产的高品质细颗粒LLM-105的晶体形貌及晶体质量明显优于经过球磨处理的LLM-105和其原料。通过感度测试发现高品质细颗粒LLM-105撞击感度(8-12%)显著低于球磨处理的LLM-105细颗粒(70-80%)。目前批量制备为百克量级,工艺和产品质量重复性好,目前已为PBX团队的配方研究提供了产品。

另外,在晶体表面修饰方面,我们研发了新的修饰技术,成功解决了购买LLM-105产品不能造粒的问题,为配方研究和LLM-105后续使用提供了技术支持。

二、炸药FOX-7大单晶制备和结构-性质关系研究取得新进展

炸药单晶是研究含能材料各项物理化学固有本性的最佳载体,近期晶体科学团队的周小清副研究员等人在FOX-7的大单晶制备及其构效关系研究方面取得了进展。通过添加形貌修饰剂的方法,研究人员获得了拥有明显自然生长晶面即(020), (−101) (002)面的可切割、定面的FOX-7大单晶,从单晶结构上分析,FOX-7的机械各向异性与其内部存在的波浪型π堆叠作用密切相关。

      采用纳米压痕技术,研究者从实验的角度确证了FOX-7三个晶面所具有的不同弹性模量和硬度指数,同时利用从头算法原理,研究者发现了FOX-7不同晶面方向所具有的不同压缩等级和滑移能力,从而证实了FOX-7相较于TATB所具有更高的撞击感度的根本原因。

FOX-7的大单晶制备及其构效关系研究是继RDXHMX大单晶开发制备后对于炸药单晶应用研究的又一成功案例,为大单晶的生长、修饰及定面等后续研究工作奠定了更好的研究基础。此次研究成果是晶体科学团队与计算含能材料科学团队共同合作完成,期间充分利用了基因中心的团队结构优势,发扬了团队深度融合、共同发展的协作攻关精神。

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