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科研进展

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科研进展

PBX团队在炸药表面包覆与性能提升方面取得新进展

    PBX表界面基础科学研究,是一室压装PBX设计与应用团队(以下简称PBX团队)重点研究方向之一。如何通过炸药的表面修饰改性、高效包覆、新型微结构设计等,解决炸药性能提升问题,对武器用炸药配方具有重要实际意义。

近期, PBX团队在炸药晶体表面原位包覆与性能提升研究方面取得了重要进展。众所周知,由于含能晶体(如HMX)的转晶对其安全性和能量都可能产生较大影响,控制其转晶对含能材料性能有重要作用。另一方面,当前含能晶体表面包覆依然面临如包覆方面诸多方面的挑战。为解决以上问题,PBX团队巩飞艳等受到水生蚌类分泌物-聚多巴胺超强粘附的启发,采用多巴胺氧化自聚合原位包覆含能晶体,可对含能晶体粉末实现致密的核壳型包覆,拉曼光谱显示聚多巴胺(PDA)包覆层呈现类似石墨的G带和D带结构,团队深入研究了多巴胺在HMX表面沉积包覆过程及机理。

图1含能晶体表面多巴胺聚合包覆过程示意图

研究表面,包覆0.5wt%聚多巴胺的HMX的β→δ相变温度提高27.5℃。在210℃加热30min再冷却到室温后,PDA/HMX依然保持完整的晶面、棱角,而未包覆的HMX晶体晶面和棱角模糊,损伤严重。采用BAM感度测试了包覆/未包覆HMX样品在加热前后的撞击感度。结果表明,室温下,PDA包覆HMX对其感度影响较小。但200℃加热30min再冷却到室温后,未包覆的HMX由于热损伤严重,感度明显升高(临界撞击能量从5.0J降低到2.0J),而PDA/HMX的BAM感度则不变(5.0J)。这说明PDA有效抑制了HMX的转晶,有利于提高其安全性。相关成果发表在Chemical Engineering Journal(影响因子=5.31,中物院一区期刊)上,详情见:Feiyan Gong, et al. Mussel-inspired coating of energetic crystals: a compact core-shell structure with highly enhanced thermal stability, Chemical Engineering Journal, 309, (2017) 140-150。

 

图2 多巴胺在HMX表面沉积包覆过程的原子力显微镜图

图3 HMX/PDA扫描电镜及热性能图

自2014年起,为改善炸药与高聚物界面作用,提升炸药表面包覆度,一室PBX团队致力于研究基于高分子单体原位聚合的表面包覆技术,先后开发了多种单体原位聚合体系,在改善CL-20、HMX、RDX、TATB等炸药的表面包覆度、包覆层机械强度方面取得了持续进展。

近期,团队开展了在炸药表面进行多巴胺仿生表界面设计和调控相关研究,在HMX的包覆方面,侧重晶体热稳定性能提升。同时,团队还开展了多巴胺包覆TATB研究,结合某重大专项需求牵引,用于改善TATB基炸药力学和蠕变性能。初步研究结果表明,多巴胺包覆TATB后,相比于纯PBX配方,改性后拉伸/压缩强度、断裂韧性均有较大幅度提升,抗蠕变性能显著提升。在60℃下,应力为4MPa时,PBX-PDA@TATB配方的应变明显低于纯PBX,高应力9MPa下,纯PBX很快发生断裂,而PBX-PDA@TATB配方在恒定9MPa应力下,依然展示优异的抗蠕变行为,而且样品不会发生断裂。

图4 TATB/PDA抗蠕变性能图

    下一步团队将结合配方应用,围绕该方面持续深入开展研究,在输出高水平基础科研成果的同时,将基础研究与工程研制相融合,力争为武器用炸药配方的综合性能提升开辟新途径。

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