摘要
针对深空复杂应用环境对火工品耐高温起爆药的迫切需求，通过静电相互作用的表面自组装方式构建了一种MXene基叠氮化镉（MXene/Cd（N3）2）复合薄膜耐高温起爆药。采用扫描电镜、X射线能谱、X射线衍射以及红外光谱对MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的微观形貌及结构进行表征；通过差示扫描量热及热重等分析方法研究其热性能，并采用高速摄影记录其爆轰过程。结果表明：MXene纳米材料表面丰富的官能团可使Cd（N3）2在MXene片层上分布均匀，粒径约50 nm，且在较大空隙中无沉积堆叠现象；MXene纳米材料的高比表面积和优异的导热性能可有效促进Cd（N3）2的热分解，热分解温度为378.42 ℃；MXene纳米材料与Cd（N3）2复合不会影响Cd（N3）2的晶型及输出威力，制备所得的MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药以较少的药量即可实现点火起爆。
图文摘要
A high‑temperature resistant primary explosive of MXene/Cd（N3）2 composite film was prepared by surface self‑assembly of electrostatic interaction. The morphology and thermal decomposition properties of MXene/Cd（N3）2 composite film were studied by a series of characterization methods.
火工品作为武器装备中的首发单元，其安全性可靠性直接影响武器系统的安全性和可靠
叠氮化镉（Cd（N3）2）是一种新型耐高温起爆药，由陕西应用物理化学研究所盛涤纶研究员于2015年首次设计合
MXene是一种典型的二维纳米材料，其结构通式为Mn+1XnTx（n=1，2，3），其中M代表过渡金属（Ti、Ta、Nb、V、Mo），X代表C或N，Tx代表表面基团，例如：─O，─OH，─Cl或─F
因此，本研究将MXene纳米材料引入耐高温起爆药Cd（N3）2的复合制备中，借助MXene纳米材料的大比表面积和较高的表面能，通过静电相互作用的表面自组装方式构建了一种新型MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药。采用扫描电镜（SEM）、X射线能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）以及红外光谱（FTIR）对MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的微观形貌及结构进行表征；通过差示扫描量热（DSC）及热重（TG‑DTG）等分析方法探究其热性能，并采用高速摄影验证其爆轰过程，通过试验结果评估MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的性能。
试剂：钛碳化铝（Ti3AlC2），400目，苏州北科纳米科技有限公司；氢氟酸（HF），40%，北京伊诺凯科技有限公司；乙醇（EtOH），成都市科隆化学品有限公司；四水合硝酸镉（Cd（NO3）2·4H2O），上海皓鸿生物医药科技有限公司；叠氮化钠（NaN3），中国医药集团有限公司；去离子水（H2O），陕西应用物理化学研究所自制等，所用试剂均为分析纯。
仪器：恒温油浴反应釜（上海一凯仪器设备有限公司）、恒温水浴反应釜（上海一凯仪器设备有限公司）、集热式磁力搅拌器 （巩义市予华仪器责任有限公司，DF101S），离心机（湘潭湘仪仪器有限公司，TG16‑WS），冷冻干燥机（宁波新芝生物科技股份有限公司，SCIENTZ‑10N），FS‑550T超声破碎仪（上海生析超声仪器公司），Tecnai G2 F30型扫描电子显微镜（美国FEI），INCA‑300 X射线能谱仪（英国牛津），D8 advance X 射线衍射仪（德国BRUKER），Spectrum 3 傅里叶变换红外光谱仪（美国Perkin Elemer），DSC204F1差示扫描量热仪（德国NETZSCH），STA449F3同步热分析仪（德国NETZSCH），PWS4602直流电源（美国Tektronix），Phantom VEO710高速摄影仪（美国Vision Research）。
称量2 g Ti3AlC2粉末加入聚四氟乙烯烧杯中，放入磁子。量取20 mL质量分数40%的HF溶液，缓慢加入聚四氟乙烯烧杯中。将烧杯放置于油浴反应釜中，加热温度设置为55 ℃，磁子转速300 r·mi
制备过程如
图1 MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的合成过程示意图
Fig.1 Schematic diagram for the synthesis process of MXene/Cd（N3）2 composite films
| （1） |
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采用扫描电子显微镜表征MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的微观形貌，测试电压15 kV。
采用X射线衍射仪表征MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的组分，测试电压40 kV，电流40 mA，扫描步长0.02°，收集2θ在10°~100°之间的衍射数据；
采用差示扫描量热仪测试MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的热分解性能，试验温度25~500 ℃，升温速率10 ℃·mi
采用同步热分析仪测试MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的热性能，试验温度25~600 ℃，升温速率10 ℃·mi
采用Phantom VEO710高速摄影机拍摄并记录爆轰过程，将MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药接入电爆炸性能测试系统，装药量为2 mg，拍摄速率为2000000 fps。
为进一步验证MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的爆轰输出性能，依照国军标GJB 5309.17-2004（K）火工品试验方法，设计如
图2 MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药输出性能测试结构
Fig.2 Output performance test structure of MXene/Cd（N3）2 composite films
采用SEM对制备所得MXene、MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药以及Cd（N3）2起爆药的微观形貌进行分析，并采用EDS对MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药进行能谱分析，结果如
a. MXene
b. MXene/Cd（N3）2
c. Cd（N3）2
d. EDS spectra of MXene/Cd（N3）2
图3 MXene，MXene/Cd（N3）2， Cd（N3）2的微观结构图及MXene/Cd（N3）2能谱图
Fig.3 SEM images of MXene， MXene/Cd（N3）2 and Cd（N3）2 and EDS spectra of MXene/Cd（N3）2
为进一步研究MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的性能，采用XRD和FTIR对其进行成分分析，结果如
a. XRD pattern
b. FTIR spectra
图4 MXene/Cd（N3）2复合薄膜的XRD及FTIR图谱
Fig.4 XRD pattern and FTIR spectra of MXene/Cd（N3）2 composite films
采用差示扫描量热法对MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药以及Cd（N3）2起爆药进行热性能测试。测得的DSC曲线如
图5 MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药及Cd（N3）2的DSC图谱
Fig.5 DSC curves of MXene/Cd（N3）2 composite films and Cd（N3）2
对比复合MXene前后的Cd（N3）2放热峰可看出，Cd（N3）2的热分解温度为383.75 ℃，MXene/Cd（N3）2复合薄膜的热分解温度为378.42 ℃，即表明由于MXene的加入，使得Cd（N3）2的热分解温度稍有提前；同时，MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的热分解速率明显快于Cd（N3）2，这主要是由于其结构中MXene与Cd（N3）2呈层状复合，且Cd（N3）2的微观粒径明显减小，导致内部热点传播速率加快，宏观上表现为热分解速率加快，即可说明，MXene的复合对Cd（N3）2的热分解速率有明显的促进作用。
采用同步热分析仪（TG‑DTA）对MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药进行热分解性能测试，测试结果如
图6 MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的TG‑DTG曲线
Fig.6 TG‑DTG curves of MXene/Cd（N3）2 composite films
采用Phantom VEO710高速摄影机对Mxene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的爆轰过程进行观测。
图7 Mxene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的爆轰过程图
Fig.7 Detonation process pictures of Mxene/Cd（N3）2 composite films
MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药起爆CL‑20药柱后的效果如
图8 MXene/Cd（N3）2复合薄膜输出性能测试结果
Fig.8 Output performance test result of MXene/Cd（N3）2 composite films
（1）通过静电相互作用的表面自组装方式构建了一种新型MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药，该薄膜结构起爆药呈纳米片层结构分布。
（2）借助MXene纳米材料层表面丰富的官能团，Cd（N3）2在MXene片层上分布均匀，且在较大空隙中无沉积堆叠；借助MXene纳米材料的层状复合，Cd（N3）2的微观粒径明显减小，内部热点传播速率加快，有效促进了Cd（N3）2的热分解速率，且不影响其热稳定性。
（3）MXene纳米材料与Cd（N3）2复合不会影响Cd（N3）2的晶型及输出性能，制备所得MXene/Cd（N3）2复合薄膜起爆药的复合结构良好，且以较少的药量即可实现点火起爆。
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