2023, 31(12):1206-1213. DOI: 10.11943/CJEM2023136
摘要:为了研究聚集结构对六硝基六氮杂异伍兹烷/奥克托今(CL?20/HMX)共晶性能的影响,采用液滴限域结晶法制备了球形CL?20/HMX 共晶。采用场发射扫描电子显微镜(FE?SEM)、X 射线粉末衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FT?IR)对共晶样品进行形貌结构表征,并通过热分析、感度和燃烧测试对共晶样品进行性能分析。结果表明,该方法成功制备 CL?20/HMX 共晶毫米空心球,其直径在 1.3~1.85 mm 之间,空心率约 40%,比表面积为 6.890 m2?g-1。球形 CL?20/HMX 共晶的放热峰温为 245.8 ℃,热分解活化能(463.02 kJ?mol-1)和热爆炸临界温度(241.28 ℃)均高于片状 CL?20/HMX 共晶,热稳定性提高;撞击感度优于原料和片状 CL?20/HMX 共晶,摩擦感度介于 CL?20 和 HMX 之间,但低于片状 CL?20/HMX 共晶;点火延迟时间小于 8 ms,火焰明亮、燃烧高效稳定,而片状共晶、原料及其物理混合物均为无焰燃烧。
2023, 31(12):1269-1278. DOI: 10.11943/CJEM2023138
摘要:为了掌握超临界二氧化碳(SC-CO2)塑化双基药在挤出计量段内的流动情况,了解流场内压力、流体速度、剪切速率、剪切黏度等参数的分布与变化情况,使用有限元法的CFD模拟软件Polyflow,对SC-CO2辅助双基药塑化挤出成型过程中物料在计量段的流动状态进行模拟研究。结果表明,流体压力和剪切黏度都随着工艺温度、注气流率和溶剂比的增大而减小,螺杆转速的提升导致剪切黏度降低,但流体压力却急剧增加。流体外壁面的压力逐级升高,截面处的压力呈现近似环状分布,由机筒内壁面向螺杆表面逐渐减小。截面处的剪切黏度形成以螺杆中心点为圆心的环带状高黏度区域,越贴近机筒内壁和螺杆表面区域的剪切黏度越小,且工艺参数改变不影响剪切黏度的分布规律。流体外壁面的剪切速率随螺杆转速加快而增大,且高剪切速率集中在螺纹处。截面处最大流体速度出现在螺纹附近,紧贴机筒内壁处的流体速度最小,随着远离机筒内壁和螺杆表面流体速度迅速增大,且越靠近螺杆表面及机筒内壁区域的速度梯度越大。
刘静 , 董亚群 , 李渺 , 刘雨季 , 黄伟 , 汤永兴
2023, 31(12):1198-1205. DOI: 10.11943/CJEM2023141
摘要:为制备新型富氮杂环含能化合物,以5-氰基-1-(1H-1,2,4-三唑-3-基)-1H-四唑(
袁明羽 , 刘强强 , 尚宇 , 周维 , 邹俐 , 高海翔 , 刘应乐
2023, 31(11):1116-1123. DOI: 10.11943/CJEM2022284
摘要:溶解度是分子钙钛矿含能材料(H6N2H14)[NH4(ClO4)3] (DAP-4)结晶工艺中的重要参数。本工作采用重量法研究了不同温度(288~323 K)下,DAP-4在不同溶剂(乙醇、乙酸乙酯、甲酸、去离子水、丙酮、环己烷、甲醇、乙腈、正丙醇)中的溶解行为,并通过Apelblat方程和λh方程建立了溶解模型。基于固液平衡的热力学原理,利用Van′t Hoff方程得到了溶出热力学参数(ΔHd, ΔSd, ΔGd)。结果表明,DAP-4在水中的溶解度最大,在乙酸乙酯中的溶解度最小,其值在不同溶剂中的溶解度随温度的增加而增加;Apelblat方程拟合的溶解模型优于λh方程拟合的结果;热力学参数ΔHd,ΔSd和ΔGd的均为正值说明DAP-4的溶解属于非自发吸热的过程。
朱瑞 , 刘意 , 张东旭 , 时嘉辉 , 安崇伟 , 王晶禹 , 武碧栋
2023, 31(11):1105-1115. DOI: 10.11943/CJEM2023082
摘要:利用液滴微流控技术,以活性剂浓度为0.5%的水溶液为连续相,以DAAF的乙酸乙酯溶液为分散相,通过流体聚焦式微通道制备了DAAF/F2602复合微球,研究了两相流速比、分散相浓度以及活性剂种类对DAAF/F2602复合微球的颗粒形貌、粒径以及圆形度的影响,得出了最佳工艺条件,并与水悬浮法进行了对比。研究结果显示,流体聚焦式微通道制备的最佳工艺为悬浮液浓度为4%、两相流速比为16∶1、活性剂为CTAB。2种制备方法所得样品的DAAF晶型均未发生改变,撞击感度均大于100 J,摩擦感度均为0%大于360 N,表明2种样品安全性能良好。其中液滴微流控法所得DAAF/F2602复合微球的粒径为20.22~53.85 μm,小于水悬浮法所得复合粒子的粒径(121~356 μm),且粒径分布更加均匀,热分解峰峰温也延后了6.45 ℃,活化能增加了6.12 kJ·mol-1,热稳定性提高。液滴微流控法所得DAAF/F2602复合微球堆积形成的锥角为34°,小于水悬浮法所得复合粒子堆积形成的锥角(40°),流散性好。
2023, 31(11):1150-1157. DOI: 10.11943/CJEM2023009
摘要:为了快速检验单质炸药2,6-二氨基-3,5-二硝基-1-氧吡嗪(ANPZO)的质量,指导ANPZO合成工艺优化,建立了ANPZO和主杂质2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪(ANPZ)含量分析的高效液相色谱法。采用C18色谱柱(250 mm×4.6 mm、5 μm),以甲醇、水、三氟乙酸混合溶剂为流动相,用紫外-可见光检测器,在425 nm检测波长下,对ANPZO试样溶液进行色谱分离,结果发现,ANPZO与反应中间体ANPZ分离良好,分析时间仅为7.0 min。在0.1~0.6 mg·mL-1的浓度范围内,ANPZO的线性相关系数为0.9996。ANPZO检出限为20 ng·g-1,定量限为67 ng·g-1,重复性测试结果的相对标准偏差为0.30%。
2023, 31(11):1158-1172. DOI: 10.11943/CJEM2022103
摘要:稠环含能化合物由2个或2个以上的共用原子和1个化学键的环构成,具有较大π-π共轭结构,是一类热门的新型含能材料。含能稠环独特的多环共面结构和较大共轭体系,表现出良好的安定性,同时多个含氮杂环组成的共面结构还使得其具有较高的生成热、较大的环张力和优异的能量水平,能够在高性能和分子稳定性之间取得平衡。含氮桥头类稠环骨架以C—N键为共用键连接多个氮杂环,此类稠环大多具有良好的密度、稳定性和多个可修饰位点,是含能稠环领域中的一类新型含能骨架。本研究简要介绍了近年来报道的氮桥头型含能稠环化合物的合成、爆轰性能和稳定性研究,为该类化合物后续的研究和发展提供一定的参考。
薛达 , 王小军 , 徐子帅 , 王守飞 , 李永祥 , 刘威 , 曹端林
2023, 31(11):1090-1096. DOI: 10.11943/CJEM2023108
摘要:通过理论计算的方法探究了3,3′-联(1,2,4-噁二唑)-5,5′-二甲硝酸酯(BOM)的中间体3,3′-联(1,2,4-噁二唑)-5,5′-二甲醇乙酸酯(BODM)水解生成3,3′-联(1,2,4-噁二唑)-5,5′-二甲醇(BOD)的反应机理,采用单因素实验和正交实验优化了合成工艺,并通过单晶检测、X射线衍射(XRD)、红外光谱分析(FTIR)、核磁共振、差示扫描量热法(DSC)等对BOD的结构和性能进行分析测试。结果发现,其反应机理为BODM中的—[O]—中的孤对电子与H2O中的H形成OH…O氢键,随后—[O]—[C═O]—中的O—C键断裂,H2O中的H和—OH分别与—[O]—和—[C═O]—成键形成—OH和—COOH基团。并发现BOD的晶体属于单斜晶系,空间群为C2/c,晶胞夹角α=90°,β=105.361(7)°,γ=90°,晶胞体积v=774.9(2) Å3,密度ρ=1.698 g·cm-3,其熔点和分解峰温分别为197.18 ℃和278.37 ℃。单因素实验结果表明,随着反应时间和溶剂的增加,BOD的得率先上升后趋于稳定;随着反应温度的增加,BOD的得率先缓慢上升后快速下降;随着BODM与碳酸钾的摩尔比的增加,BOD的得率先上升后下降。此外,通过正交实验优化了工艺条件,结果显示45 ℃下,BODM在碳酸钾的甲醇溶液中水解反应8 h,其中BODM与碳酸钾的摩尔比为15∶1,得率为94%。研究为BOD的放大及规模化生产提供了理论基础与实验参考。
罗川东 , 罗庆平 , 贾浩巍 , 伍波 , 李兆乾 , 段晓惠
2023, 31(11):1097-1104. DOI: 10.11943/CJEM2022260
摘要:为改善六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)的安全性能,用硝化石墨烯(NG)作为结晶诱导剂,通过溶剂-非溶剂法制备了具有自组装堆垛结构的CL-20。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、同步热分析仪(DSC-TG)对所制备CL-20的形貌、结构、热性能进行了表征,并对其机械感度进行了测试分析。结果表明,在不同含量NG的诱导下,CL-20重结晶成方形片状晶体,并自组装堆垛成花瓣型、螺型、塔型等结构。在CL-20自组装堆垛结构的形成过程中,NG的诱导作用体现在其片层对CL-20的吸附作用以及其活性基团与CL-20的基团之间形成氢键上。与原料CL-20相比,自组装堆垛结构CL-20热分解温度降低约5 ℃,热分解焓最大提高约33%,质量损失从81%提高到99%,机械感度大幅降低。当NG含量为0.5%时,诱导结晶形成的自组装花瓣结构CL-20的撞击感度最低,为6 J。
2023, 31(10):1059-1067. DOI: 10.11943/CJEM2022177
摘要:高精度计算水平下的量子化学数据对于含能化合物的设计、合成以及表征具有重要意义。因此,建立含能化合物量子化学数据库,收集含能化合物在高精度计算水平下的量子化学数据,既能够避免重复性的计算研究与资源消耗,也保证了数据质量以便进行深入分析及知识挖掘,进而获得可靠的含能化合物结构与性质的分析预测模型。本文总结并梳理近年来量子化学计算所获得的含能化合物关键性结构和性质数据种类、数据库与高通量虚拟筛选相结合的含能化合物分子设计进展;并从量子化学计算标准与数据模型的选择、数据库以及数据库管理系统的开发等角度,对含能化合物量子化学计算数据库的设计与应用进行了展望,包括:(1)明确基准计算方法与性质预测模型以产生本领域专用性的数据;(2)建立开放共享的数据库以实现与高通量虚拟筛选相结合;(3)开发数据库管理系统以实现查询、获取与知识挖掘,以期为含能化合物量子化学数据库的设计及实际应用提供有益的参考。
2023, 31(10):1068-1078. DOI: 10.11943/CJEM2023120
摘要:含能材料的球形化可以显著提升炸药晶体的加工及应用性能。基于目前国内外对典型含能材料球形化技术的相关研究,从结晶策略角度综述了球形单晶体、球形聚结晶体以及球形分支晶体的研究进展。重点介绍了各球形产品的结晶工艺、球形化机理及降感效果。指出球形产品具有流动性好、堆密度高、感度低的特点,应用潜力巨大,建议结合晶体工程思维,建立各典型含能材料结晶基础数据库、强化在线过程监测、完善模型计算以及多学科交叉研究,为含能材料球形化结晶工艺精确调控和工业生产提供指导。
蔚明辉 , 张皓瑞 , 谢五喜 , 李雅津 , 聂洪奇 , 严启龙
2023, 31(9):887-894. DOI: 10.11943/CJEM2023096
摘要:为了提高三氢化铝(AlH3)的稳定性,采用声共振与喷雾干燥技术相结合的方法制备了3种嵌入包覆型AlH3@Al@xAP(AHAPs)含能复合颗粒,AlH3@Al和AP的质量比分别为9∶1(AHAPs-10%)、7∶3(AHAPs-30%)和1∶1(AHAPs-50%)。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线粉末衍射(XRD)等分析手段对AHAPs及其凝聚相燃烧产物的形貌和结构进行表征,利用热重-差示扫描量热仪(TG-DSC)、真空安定仪(VST)研究了样品的热反应活性和稳定性。结果表明,AHAPs含能复合颗粒不仅提高了AlH3的稳定性,同时还促进了AP的分解,随着表面AP包覆含量的增加,AlH3的起始分解温度提高了8.5~11 ℃,AP的高温分解峰温降低了约81.6 ℃。与AlH3的分解时间(1006 min)相比,AHAPs-50%复合颗粒的分解时间提高了近50.9%,达1518 min。此外,嵌入包覆型复合颗粒AlH3@Al/63.5% AP的反应热(9125.6 J·g-1)与机械混合样品相比,提高了1054.1 J·g-1,且凝聚相燃烧产物粒径更小,说明其燃烧更加完全、燃烧效率更高。
2023, 31(9):870-879. DOI: 10.11943/CJEM2023010
摘要:以三元碳环作为张力能结构单元,合成了基于N,N-(二环丙基甲基)环丙胺为阳离子,二氰胺根和氰基硼氢根为阴离子的系列离子液体。采用核磁(NMR)、红外光谱(IR)和高分辨率质谱(HRMS)等表征方法,确认了所得离子液体的结构,并对其物化性质(如熔点、热分解温度、密度、粘度、生成焓、比冲和点火延迟时间)进行了测定或计算。结果表明:设计合成的10种离子液体均能与白烟硝酸(WFNA)发生自燃,氰基硼氢类离子液体与相应的二氰胺类离子液体相比,点火延迟时间更短。张力环结构的引入可提高离子液体生成焓(0.87~1.96 kJ∙g-1),三元环结构紧凑的堆积有利于提高离子液体密度(1.01~1.18 g∙cm-3),张力环基自燃离子液体表现出更高的密度比冲(436.7~454.4 s·g·cm-3)。分子结构中引入张力环基团为提高自燃离子液体的能量密度提供了新的思路。
2023, 31(9):862-869. DOI: 10.11943/CJEM2022290
摘要:为解决纳米铝粉制备能耗大、粒径控制困难、污染严重的问题,在摩尔比为2∶1的氯化铝-氯化-1-乙基-3-甲基咪唑(AlCl3-EMIC)离子液体中加入二异丁基氢化铝(DIBAL),以液相化学法绿色安全的制备纳米铝粉。采用X射线衍射(XRD)、纳米粒度检测、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)和线性扫描伏安法(LSV)等方法对纳米铝粉进行表征,并探究其长大过程及反应机理。结果表明,DIBAL浓度为0.25 mol·L-1、反应时间为0.5 min时获得无团聚且粒径均匀的40~100 nm铝粉,相比其他液相化学法获得粒径更均匀;不同DIBAL浓度下铝粉生长均存在异常长大现象,其原因与Ostwald熟化有关;并且,AlCl3-EMIC离子液体不仅是反应介质,同时也是纳米铝粉的Al源。
武文瑜 , 刘一帆 , 李小东 , 周阳阳 , 徐璐 , 范董倩 , 蒋起聪
2023, 31(7):635-644. DOI: 10.11943/CJEM2023114
摘要:为改善3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)的形貌及减小粒径,以丙酮为溶剂,采用喷雾干燥技术制备得到细化NTO产品,研究了入口温度,进气流量,进料速率,前驱液质量浓度对细化NTO形貌及粒径的影响,筛选出最佳的喷雾干燥工艺参数;利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和同步热分析仪(TG-DSC)对细化NTO产品的表面形貌、分子结构及热稳定性进行了表征与测试。结果表明,在入口温度为60 ℃,进气流量为357 L·h-1,进料速率为3 mL·min-1,NTO前驱液浓度为16.57 mg·mL-1时,可获得形貌效果好、晶体结构稳定、粒径分布范围较窄且平均粒径为1.2 μm的类球形NTO;与原料相比,细化NTO的热分解表观活化能提升了41.7 kJ·mol-1,热爆炸临界温度提高了10.4 ℃,具有更优的热稳定性。
2023, 31(5):485-507. DOI: 10.11943/CJEM2022131
摘要:三唑类含能化合物是近些年发展的一类新型含能化合物,具有高生成焓、高氮含量和高热稳定性的特点。本文从分子结构出发,综述了单三唑类、双三唑类、吡唑基三唑类、噁二唑基三唑类和四唑基三唑类等40余系列含能化合物的最新合成研究成果,对部分化合物性能进行了阐述。并结合三唑类含能化合物的性能特点,指出基于构效关系设计新型三唑化合物,平衡能量-安全间的矛盾关系,是发展高能钝感三唑含能化合物的有效策略;在此基础上,设计合成笼状三唑含能化合物是较具潜力的发展方向,并提出筛选综合性能优异的三唑化合物开展应用研究。
2023, 31(5):508-523. DOI: 10.11943/CJEM2022159
摘要:将氟偕二硝基甲基引入至含能化合物分子中,不但可以提高含能化合物的氧平衡、密度和爆轰性能,还可能提高化合物的热稳定性、降低机械感度。构建含氟偕二硝基甲基基团的含能化合物成为新型高能低感含能材料领域的研究热点。通过对近20年来含有氟偕二硝基甲基的含能化合物综述,总结氟偕二硝基甲基类含能化合物的合成方法,分析比较这类化合物的分子结构、理化性质和爆轰性能,为新颖氟偕二硝基甲基化合物的分子设计、合成研究提供参考。
2023, 31(4):317-324. DOI: 10.11943/CJEM2022221
摘要:为了高效地制备低感度、环保的含能燃速催化剂,以二硝酰胺铵(ADN)为前体,经离子交换反应得到二硝酰胺酸(HDN),该反应液与碱式碳酸铜(Ⅱ)反应制备二硝酰胺铜(Ⅱ),再与富氮配体(氨、咪唑、4-氨基-1,2,4-三唑-5-酮)进一步合成获得了3种含能金属配合物[Cu(NH3)4(DN)2]、[Cu(IMI)4(DN)2]、[Cu(ATO)4](DN)2。利用X射线单晶衍射、红外光谱、元素分析等方法准确表征了3种配合物的结构,测定了3种配合物的热稳定性、吸湿性、撞击感度、摩擦感度、静电火花感度以及[Cu(IMI)4(DN)2]对推进剂燃速的提升效果。结果表明3种配合物的热稳定性均满足固体推进剂的应用要求,初始分解温度均大于140 ℃。3种配合物的吸湿性有明显改善,仅为原料ADN的2%~5%。配合物[Cu(IMI)4(DN)2]的感度最低,撞击感度28.6 J、摩擦感度0%、静电火花感度185 mJ。在丁羟推进剂中添加质量分数为4%的[Cu(IMI)4(DN)2]时,可将基础配方推进剂燃速提升27.7%。
2023, 31(4):374-410. DOI: 10.11943/CJEM2022187
摘要:高氮多环结构在协调含能化合物能量与安全性矛盾方面表现出极大潜力。呋咱环具有稳定性好、含氮量高、高正生成焓、易于达到氧平衡等特点,是设计高氮多环类含能分子的重要结构单元。含有呋咱环的多环类含能化合物的设计合成已经成为含能材料领域关注重点之一,得到广泛和深入研究。本文对基于呋咱环的稠环和联环含能化合物的分子结构、合成方法及理化性能等进行综述,并对该类化合物的应用前景进行了评价,为此类多环含能化合物的设计与合成提供一定的参考。
2023, 31(4):325-331. DOI: 10.11943/CJEM2022264
摘要:以1,5-环辛二烯为原料,经氧化环合、O-酰化、消除、环氧化、氨解和硝化等步骤,合成了一种新型笼状含能化合物6-硝基-2-氧杂-6-氮杂金刚烷-4,8-二醇二硝酸酯。利用X射线单晶衍射技术获得了6-硝基-2-氧杂-6-氮杂金刚烷-4,8-二醇二硝酸酯的单晶结构;采用核磁、红外以及元素分析对其结构进行了表征;采用热重分析(TG)和差示扫描量热法(DSC)研究了目标化合物的热稳定性;经密度泛函理论研究了目标化合物的爆轰性能。结果表明,其密度为1.75 g·cm-3,热分解放热峰值为184 ℃,爆速7730 m·s-1,爆压为26.07 GPa。
燕超 , 孙瑞 , 朱金利 , 任晓婷 , 卢艳华 , 何金选
2023, 31(4):332-337. DOI: 10.11943/CJEM2022275
摘要:为了解决当前高能氧化剂1,4-双(三硝基甲基)-3,6-二硝基吡唑[4,3-c]并吡唑(ONPP)合成工艺的低硝化收率以及使用剧毒物等问题,设计并开发了ONPP的新合成路线。将ONPP溶于乙酸乙酯,采用缓慢溶剂挥发法制备出ONPP的单晶,并对不同配方进行了能量估算。结果表明,在碱和相转移催化剂Bu4NBr(TBAB)的参与下,3,6-二硝基吡唑[4,3-c]并吡唑(DNPP)与溴丙酮反应,在吡唑环上引入2个丙酮基团,接着使用HNO3/H2SO4/P2O5硝化体系对其进行硝化,合成得到了ONPP,两步总收率为31%。相较原工艺(两步总收率为10.4%),新工艺的产品收率提升了近3倍,且避免了剧毒物丁烯酮的使用,更适合放大化生产。单晶衍射结果为:ONPP的晶体为单斜晶系,P21/c空间群,晶体密度为1.983 g·cm-3(293 K)。经过对端羟基聚丁二烯(HTPB)(占比10%)、Al粉(占比20%)和氧化剂(占比70%)配方进行能量估算,当ONPP和高氯酸铵(AP)作为氧化剂复配使用,分别占比40%和30%时,其配方能量水平达到最佳,显著高于他们分别作为单一氧化剂时的配方能量水平。
2023, 31(3):286-294. DOI: 10.11943/CJEM2023017
摘要:笼状骨架赋予含能分子额外的应变能和结构稳定性,有望优化含能材料高能量密度和低感度之间的问题。但笼状含能晶体在冲击波刺激下的化学反应机理尚不清晰,亟需从笼状骨架调控、单分子分解、晶体集体响应3个层次开展系统研究。为此,研究以具有平面分子结构的三氨基三硝基苯(TATB)作为参考体系,对比了具有笼状结构的八硝基立方烷(ONC)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)和4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧杂-4,10-二氮杂四环十二烷(TEX)体系,开展了ONC、CL-20、TEX晶体结构在8~11 km∙s-1冲击波作用下的演化并进行了从头算分子动力学模拟。模拟结果表明,含能晶体的冲击感度排序为ONC>CL-20>TEX>TATB,通过与冲击波/撞击感度的文献试验数据对比进行了验证。反应机理表明:(i) 异伍兹烷骨架中的富电子氧/氮促进了离域效应,适中的空间自由度赋予其弹性变形能力,加强了笼状骨架的结构稳定性,延缓了冲击反应进程;(ii) 基于异伍兹烷的笼状分子分解时,硝基的脱落先于笼状分子的坍塌发生,游离的硝基与其他中间产物的排斥作用阻碍了分子间的团聚,进一步延缓了反应进程;(iii) 分子间氢键在冲击压缩时发生高塑性变形,将冲击波能量转化为分子间排斥势而储能,从而提升材料吸收冲击波能量的阈值,延迟反应发生时间,降低冲击感度。研究提出,电子离域效应增强,空间自由度适中的异构笼状骨架及丰富的分子间氢键均有望降低冲击波感度,为新型高能钝感含能材料的设计提供理论参考。
张倩 , 段秉蕙 , 谭博军 , 卢先明 , 王伯周 , 刘宁
2023, 31(2):107-113. DOI: 10.11943/CJEM2022248
摘要:为探索兼具良好耐热性能和安全性能的新型含能材料,以1-氯-2,4,6-三硝基-3,5-二氨基苯和4H,8H-双呋咱并吡嗪为原料,经取代反应合成了4,8-二(2,4,6-三硝基-3,5-二氨基苯基)双呋咱并吡嗪(NADFP)。采用核磁共振(氢谱、碳谱)、红外光谱、元素分析等测试方法对化合物结构进行了表征。通过溶剂挥发法培养获得NADFP与N,N′-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂合物的单晶NADFP·DMF,利用X-射线单晶衍射法进行解析。结果表明,NADFP·DMF属单斜晶系,P21/c空间群,a=7.854(3) Å,b=18.466(6) Å, c=11.093(3) Å,ρ=1.640 g·cm-3。使用Hirshfeld表面分析法计算了分子内/分子间作用力,显示氢键占比高达53.5%。采用差示扫描量热法(DSC)和热失重法(TG/DTG)研究了NADFP的热分解性能,结果显示热分解峰温为337.2 ℃和368.8 ℃。研究了NADFP的理论爆轰性能和机械感度,密度为1.81 g·cm-3,固相生成热827.1 kJ·mol-1,理论爆速7968 m·s-1,理论爆压27.5 GPa,撞击感度大于40 J,摩擦感度大于360 N。其综合性能显著优于常用耐热炸药六硝基茋。
于志宏 , 饶文军 , 宋小兰 , 寇勇 , 王毅 , 安崇伟
2023, 31(2):130-141. DOI: 10.11943/CJEM2022059
摘要:采用静电喷雾方法制备了2,4,6-三硝基-3-溴苯甲醚(TNBA)与1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)不同质量比的低共熔物。根据低共熔物的差示扫描量热(DSC)曲线绘制了二元温度-组成(T-X)、熔融焓-组成(H-X)相图,从而得到最低共熔物的质量比。采用扫描电镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)、高效液相色谱(HPLC)、X射线粉末衍射(XRD)、红外光谱(IR)、X射线光电子能谱(XPS)、DSC和热重-质谱联用(TG-MS)等方法对最低共熔物形貌、组分含量、元素分布、晶体结构和热分解性质进行了研究,并对最低共熔物的机械感度、热感度和爆轰性能进行了测试和理论计算。结果表明:TNBA/TNAZ最低共熔物的最佳质量比为60.95∶39.05;其微观形貌无尖锐棱角,组分比例与静电喷雾前一致,表面元素分布均匀,晶体结构与原料基本一致;最低共熔温度为350.18 K,相比原料TNBA、TNAZ降低了22.72 K和24.82 K;热分解反应速率常数为0.33 s-1,活化焓为60.10 kJ∙mol-1,活化能为64.44 kJ∙mol-1,活化吉布斯自由能为135.21 kJ∙mol-1,活化熵为-143.78 J∙(mol∙K)-1;最低共熔物的撞击感度(H50)为42 cm,摩擦感度(FS)为20%,5 s爆发点温度为558 K;爆轰性能(氧平衡-34.83%,爆热5101.78 kJ∙kg-1,爆速7598.37 m∙s-1)介于原料TNBA与TNAZ之间,理论爆轰产物主要为N2、C(d)、CO、CO2及H2O。
程健 , 张泽华 , 李福伟 , 汪辉 , 叶迎华 , 沈瑞琪
2023, 31(2):201-212. DOI: 10.11943/CJEM2022089
摘要:微波作为一种清洁能源,因其独特的穿透性可在体积内与含能材料相互作用,安全性高,在含能材料中应用广泛。本文从微波在含能材料测试中的应用、微波辅助合成含能材料、微波激发含能材料以及微波增强推进剂燃烧等进行了总结,指出了微波辅助合成含能材料机理尚不明确、微波敏化炸药中引入的吸波材料较单一、微波增强燃烧只适用于部分推进剂等问题,提出了未来的发展方向:扩充吸波材料种类、通过纳米铝热剂的微波点火来激发非金属含能材料以及实现微波装置的灵巧、便捷性。
闫镒腾 , 白森虎 , 薛金强 , 刘杉 , 仝斌 , 钱露 , 吉应旭
2023, 31(2):190-200. DOI: 10.11943/CJEM2022200
摘要:聚叠氮缩水甘油醚(GAP)的燃烧热高、燃烧温度低、热稳定性好、燃气洁净以及与氧化剂相容性好,是传统惰性黏合剂端羟基聚丁二烯(HTPB)的有利替代品之一,在高能推进剂配方中广泛使用,但其分子链中存在大体积极性叠氮侧基,阻碍了分子链的运动,降低了主链的柔韧性,导致其力学性能尤其是低温力学性能较差。化学改性可以较好地调节GAP的性能,引起了国内外含能材料研究者们广泛关注。本文详细阐述了一步法、两步法GAP的合成工艺;论述了各种GAP的化学改性方法,阐明了不同结构与性能的关系,分析了存在的问题和不足,展望了未来开发可控易行、绿色环保的高分子量GAP合成策略、性能研究方法以及在高能热塑性弹性体方面的应用前景。
冯博 , 冯晓军 , 张坤 , 薛乐星 , 潘文 , 陶俊 , 王晓峰
2023, 31(2):170-176. DOI: 10.11943/CJEM2021225
摘要:采用干混法和溶剂-非溶剂重结晶法分别制备了1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(HATO)和高氯酸铵(AP)的混合物和复合物,通过扫描电子显微镜(SEM)和国军标方法分析了HATO、AP、HATO+AP混合物以及HATO-AP复合物的微观形貌和机械感度,并试验对比了它们的点火和燃烧压力特性,结合热重-质谱(TG-MS)分析结果讨论了HATO-AP复合物的反应特性。结果表明,HATO-AP复合物中可能存在HATO和AP共晶、混晶或者相互包覆的情况,使其机械感度相比HATO+AP混合物大幅降低。HATO的燃烧压力峰值和压力上升速率均远高于AP,而HATO-AP复合物能够消除AP的不利影响,使其燃烧压力峰值比HATO提高17.3%。由于HATO-AP复合物实现了2种材料在更小的微观尺度上良好接触,复合物中HATO与AP两分子趋向于直接反应,反应过程中N元素可能直接通过反应生成NH3、HCN、NO或者其它NOx,而反应过程不再有N2生成,复合物反应历程的改变可能导致其具有不同的燃烧压力特性。
2023, 31(2):177-189. DOI: 10.11943/CJEM2022068
摘要:氧化呋咱是蕴含“潜硝基”片段的富氮芳环结构,其骨架致密性与突出的生成焓水平使其成为含能材料等领域的重要分子骨架。特殊的氮氧原子排布显著提升了氧化呋咱互变异构的倾向,而互变异构体的存在降低了氧化呋咱骨架的稳定性同时增加了其合成的难度。本文综述了基于不同策略的氧化呋咱的合成方法研究,以氧化呋咱骨架本身的制备反应机理为重点,分析比较了不同合成方法的优势与不足,并进一步总结了以氧化呋咱合成策略为基础的含能化合物研发进展。鉴于氧化呋咱本身的高致密性、高氧平衡、高生成焓特点,以氧化呋咱结构为基础的含能结构仍将是高能量密度材料研发的重点方向。
张思宇 , 龙婷 , 刘天林 , 黄明 , 李金勇 , 杨海君
2023, 31(2):114-120. DOI: 10.11943/CJEM2022042
摘要:为了简便合成五唑钠,采用环化/C—N切断“一锅法”合成了五唑钠,并对其合成方法和条件进行了研究。采用红外、核磁、质谱或离子色谱等对氯化重氮盐
刘意 , 朱瑞 , 时嘉辉 , 韩凯 , 武碧栋 , 安崇伟 , 王晶禹
2023, 31(2):121-129. DOI: 10.11943/CJEM2022184
摘要:为了获得形状规则、流散性好和粒径均一的球形化造型粉,采用液滴微流控技术,研究了不同黏结剂对2,2′,4,4′,6,6′-六硝基二苯基乙烯(HNS)复合微球性能的影响。分别选取氟橡胶(F2604)、硝化棉(NC)和聚叠氮缩水甘油醚(GAP)对亚微米HNS进行球形化造粒制备,成功制备出亚微米级HNS/F2604(95/5)、HNS/NC(95/5)和HNS/GAP(95/5)复合微球。通过扫描电镜、X射线衍射仪、比表面积、热分析仪、真密度测试仪和机械感度测试仪等对微球进行测试和表征。结果表明:3种黏结剂均能制得球形度高、单分散性好、粒径分布窄的HNS复合微球,平均圆形度分别为0.934,0.915,0.925,D50分别为45.39,58.68,45.43 μm(跨度均小于0.55),热分解峰温分别为354.44,349.53,339.37 ℃。球形化过程使微球真密度分别增加到1.9408,1.9383,1.9204 g∙cm-3,有效提高了HNS装药性能。微球堆积形成的锥角分别为27°,24.3°,24°,流散性好。与亚微米HNS相比,3种微球撞击感度分别提高了5.5,4,3.5 J,摩擦感度分别提高了52,36,4 N,安全性更好。
2023, 31(1):35-40. DOI: 10.11943/CJEM2021198
摘要:采用嵌合组装的方式制备了含15%硼和15%金属氢化物MgH2的铝基贮氢复合燃烧剂Q3,Q3粉体为类球形,具有较高的理论热值34.8 MJ·kg-1。在空气气氛下采用热重分析方法测试了球铝与Q3粉体的氧化性能,结果表明,Q3起始氧化温度为430 ℃,比球铝降低了约100 ℃;1000 ℃时,Q3氧化增重量60%,明显优于铝粉的增重量(23%),显示Q3具有点火性能较好和完全氧化程度较高的特点。对金属粉含量为35%的RDX基炸药开展水下爆炸试验测试,铝基贮氢复合燃烧剂Q3等质量替代铝粉,同比含铝炸药水下爆炸比冲击波能降低3.0%,比气泡能提高9.5%,爆炸总能量提高7.6%。铝基贮氢复合燃烧剂Q3中金属氢化物和铝组分有利于提高硼组分的释能效率和释能速率,提高了炸药水下爆炸总能量。
孙宝亮 , 黄文尧 , 汪泉 , 潮捷 , 檀鑫 , 牛草原 , 胡洁
2023, 31(1):26-34. DOI: 10.11943/CJEM2022092
摘要:以粒径为200~300 μm的硅藻土颗粒作为乳化基质的载体来制备低爆速乳化炸药。对硅藻土的微观性能进行表征,分析硅藻土质量分数对炸药的粒径和爆轰机理的影响,测量炸药的密度、爆速、空中爆炸冲击波压力,并进行了硅藻土与乳化基质的相容性测试。结果表明,当硅藻土质量分数由15%增加至35%时,炸药粒径与硅藻土含量呈现负相关,炸药的密度由0.79 g·cm-3降至0.51 g·cm-3,爆速由2561 m·s-1降至1655 m·s-1,空中爆炸冲击波压力峰值由0.061 MPa降至0.023 MPa;硅藻土的加入对乳化基质的热安定性没有影响,并且硅藻土和乳化基质在常温与加热条件下均不会相互反应,储存期2 d和120 d的炸药,其爆速和空中爆炸冲击波压力峰值降幅均小于5%,说明硅藻土与乳化基质有良好的相容性。
2023, 31(1):92-106. DOI: 10.11943/CJEM2022008
摘要:本文综述了自20世纪60年代以来构建1,2,3-三唑类含能材料的4种主要方式以及相应的研究进展,包括:1)基于1-氨基-1,2,3-三唑构建的含能化合物;2)基于二氰基1,2,3-三唑构建的含能化合物;3)叠氮参与环合反应制备1,2,3-三唑类含能化合物;4)1,2,3-三唑参与构建的稠环类含能化合物。通过对具有代表性的1,2,3-三唑含能化合物的分子结构以及相应的理化特性进行分析,深层次地理解含能材料的结构对其能量水平以及稳定性的影响。同时,对性能突出的1,2,3-三唑含能化合物的潜在应用价值进行了展望,为设计和开发下一代高能量密度材料提供参考。
2023, 31(1):18-25. DOI: 10.11943/CJEM2022169
摘要:为探究介孔碳纳米球(MCS)对氧化剂环三亚甲基三硝铵(RDX)热分解性能的影响,通过双模板法制备出粒径约350 nm的MCS,利用主客体化学技术将RDX晶体引入MCS孔内及表面,得到MCS/RDX复合物。采用扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)对MCS和MCS/RDX复合物的形貌和结构进行表征;通过傅里叶红外变换光谱(FTIR)研究了MCS与RDX之间的界面相互作用;利用差示扫描量热-热重分析(DSC-TG)研究MCS/RDX复合物的热行为,相比纯RDX,MCS/RDX复合物的分解温度降低13 ℃,放热量增加,表观活化能从234.87 kJ·mol-1降低到126.48 kJ·mol-1。采用落锤撞击感度仪和静电火花装置测试所得材料感度。与纯RDX相比,MCS/RDX复合物的撞击感度和静电火花感度明显降低。这些结果表明,MCS对RDX的热分解具有较好的催化性能,并能降低RDX的感度。
胡李劲草 , 曾志伟 , 魏湘帅 , 喻儒靖 , 黄伟 , 汤永兴
2023, 31(1):1-7. DOI: 10.11943/CJEM2022176
摘要:以多氨基稠环化合物4,7-二氨基哒嗪并[4,5-c]氧化呋咱(
王腾 , 周鑫 , 郝世龙 , 张树海 , 苟瑞君 , 李洪珍
2023, 31(1):8-17. DOI: 10.11943/CJEM2022134
摘要:针对常规炸药结晶方法(蒸发、溶析及降温等)过饱和度均一性调控难、溶剂回收率低等问题,设计了基于压力驱动、错流过滤的有机溶剂纳滤(OSN)膜结晶装置,并用于奥克托今(HMX)的膜结晶工艺研究。探讨了关键工艺参量(温度、压力)对其结晶形态和粒度的影响,与蒸发结晶进行了晶体形貌、结构的对比。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、热重-差示扫描量热仪(TG-DSC)等方法表征了2种方法重结晶后的HMX晶体。进一步考察了纳滤膜的长期操作稳定性,并将渗透回收的溶剂进行了再次膜结晶。结果表明,通过对温度与压力的优化控制,膜结晶工艺能够获得粒度分布窄(变异系数<46%)、晶体密度高(ρavg=1.8997~1.9004 g·cm-3)及热稳定性优异的β-HMX。相较蒸发结晶,膜结晶过程中的过饱和度调控更易操作,制备的晶体形态更加均一;纳滤膜多次重复使用后,对溶剂中HMX分子的截留率仍能保持在92%以上,表现出良好的渗透选择稳定性;采用渗透回收的溶剂进行膜结晶仍能获得中值直径为34.92 μm、变异系数为37.22%的β型HMX晶体,表明该技术能够实现对结晶溶剂的高效回收再利用。
2022, 30(12):1213-1218. DOI: 10.11943/CJEM2022164
摘要:为了研究镀镍石墨烯的红外消光性能,探索消光较佳的工艺条件,采用氧化还原和化学镀的方法制备了镀镍石墨烯,通过正交试验设计,以红外衰减率为评价指标,分析了各因素对镀镍石墨烯消光性能的影响,确定了红外消光较佳的工艺条件。利用烟幕箱试验,测试了镀镍石墨烯的红外透过率。基于“Lambert-Beer”定律,通过线性拟合计算了镀镍石墨烯的平均质量消光系数,并与镀前进行了对比分析。结果表明:红外消光较佳的镀镍石墨烯的制备工艺参数为:六水合硫酸镍的浓度为20 g·L-1,次磷酸钠的浓度为24 g·L-1,柠檬酸钠的浓度为10 g·L-1,施镀温度为65 ℃。该条件下制备的镀镍石墨烯在中远红外波段均表现出非常好的红外消光能力。对于3~5 μm和8~14 μm红外波段,镀镍石墨烯的平均质量消光系数分别为2.38 m2·g-1和2.19 m2·g-1。与改性前的石墨烯相比,镀镍石墨烯在中远红外波段的平均质量消光系数分别提高了30%和35%,具有更广阔的应用前景。
袁万里 , 江毕涛 , 章冲 , 孙呈郭 , 高超 , 胡炳成 , 杜杨
2022, 30(12):1237-1244. DOI: 10.11943/CJEM2021336
摘要:高能五唑离子盐的合成是含能材料领域的研究热点,五唑阴离子的制备是合成高能五唑离子盐的关键步骤。为了拓宽五唑阴离子的来源,寻求稳定性更好,性能更优的五唑阴离子前体,采用密度泛函理论计算研究了3-五唑基吡啶及其衍生物的桥连C—N键和五唑环的稳定性。结果表明:除—OH、—OMe、—N(Me)2对位取代物外,3-五唑基吡啶及其—NO2、—CN、—NF2对位取代,—NO2、—CN、—NF2、—OH、—OMe、—N(Me)2间位取代,—NO2、—CN、—NF2、—OH、—OMe、—N(Me)2对位和间位双取代物的桥连C—N键断裂所需的能量Ea1均小于苯基五唑,说明这些化合物比苯基五唑更易于得到五唑阴离子。—OMe、—N(Me)2对位取代,—OMe、—N(Me)2间位和对位双取代物的五唑环破裂的能垒Ea2与苯基五唑相当,说明这些化合物的五唑环具有较好的稳定性。—N(Me)2间位取代物的Ea1和Ea2的差值ΔE最小,说明该化合物在切断桥连C—N键获得N5ˉ离子过程中,最易维持五唑环的稳定。相比于苯基五唑,—N(Me)2间位取代和双取代的3-五唑基吡啶具有较低的ΔEa1、较高的ΔEa2和较低的ΔE,说明其具有替代苯基五唑作为五唑阴离子前体的潜力。
2022, 30(12):1226-1236. DOI: 10.11943/CJEM2022088
摘要:含能化合物的设计效率决取于多方面因素,如筛选空间中潜在高性能样本的占比和关键性能的准确预测方法。本研究提出预筛选分子骨架提升虚拟筛选空间整体性能的方案,并将高通量计算与深度学习相结合用于含能化合物设计。研究发现,含能分子的晶体密度与其骨架密度之间存在中度的正相关性,通过预筛选高密度分子骨架可以有效提升虚拟筛选空间的整体密度。研究基于晶体学数据库CCDC提供的含能晶体密度数据集,采用深度学习方法获得含能晶体的密度预测模型,具有可靠的精度和泛化性。在此基础上,以稠环类含能化合物为研究对象,通过骨架预筛选获得高密度的稠环分子骨架,从而通过分子片段组装获得由潜在的高密度分子组成的虚拟筛选空间。研究采用量子化学计算和爆轰产物状态方程等方法实现了生成焓、爆轰性能和化学稳定性的预测,从而由性能排序筛选出能量水平优于RDX,稳定性优于TNT的新型含能分子6个。研究表明,分子骨架预筛选可以有效提升虚拟筛选空间的总体性能,在此基础上借助高通量计算与深度学习可实现含能分子的高效设计。
袁野 , 李纯志 , 董军 , 李彬 , 杨丽媛 , 章冲 , 孙呈郭 , 胡炳成
2022, 30(12):1187-1190. DOI: 10.11943/CJEM2022053
摘要:为了实现五唑前驱体3,5-二甲基-4-羟苯基五唑(HPP)的规模化生产,最终实现五唑阴离子基含能材料的工程化应用,在现有实验室级别合成方法的基础上,利用10 L和100 L中试合成设备,对HPP的中试放大合成工艺进行了研究。分别研究了3,5-二甲基-4-羟基苯胺盐酸盐(DAC)纯度、亚硝酸钠和叠氮化钠水溶液滴加速度以及投料量对HPP产量或产出比的影响。结果表明,在一定范围内,亚硝酸钠水溶液和叠氮化钠水溶液滴加总时间增加,HPP的产量也随之增加,到达一定值后,继续增加滴加时间并不会增加HPP产量;DAC的纯度对HPP的产量有较大影响,纯度越高,副反应越少,产量越高;另外,随着合成规模扩大,HPP产量增加,但是产出比却下降。投料量达到6 kg时,批量产出可达11.5 kg,但产出比低至1.91。
2022, 30(12):1197-1204. DOI: 10.11943/CJEM2022165
摘要:为改善1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)与硝化棉(NC)的相容性,采用1%、2%和3%浓度的硅烷偶联剂(KH550)乙醇溶液对TKX-50进行包覆,得到3种TKX-50/KH550复合材料TK1、TK2和TK3。采用扫描电镜、红外光谱仪和差示扫描量热仪研究了复合材料的形貌结构及热安定性能;采用绝热加速量热仪和差示扫描量热仪研究了TKX-50/KH550复合材料与硝化棉(NC)之间的相容性。结果表明,与原料TKX-50(138.86 kJ·mol-1)相比,TKX-50/KH550复合材料的热分解表观活化能分别增加了190.03、195.82、194.42 kJ·mol-1,TKX-50的热稳定性得到了提高;在绝热环境下,较TKX-50与NC混合体系,3种TKX-50/KH550复合材料与NC混合体系的初始热分解温度分别提高了14.93、18.18和17.90 ℃;相比TKX-50,TKX-50/KH550复合材料与NC的相容性等级从3级提升到2级,改善了TKX-50与NC的相容性。
罗郑航 , 王嘉璇 , 王雨晴 , 王鑫雨 , 张笑天 , 张理 , 张勇 , 黄明 , 杨海君
2022, 30(12):1191-1196. DOI: 10.11943/CJEM2022051
摘要:为了合成高纯3,5-二氨基-2,4,6-三硝基氯苯(DATNCB),分别以1,3,5-三氯-2,4,6-三硝基苯(TCTNB)或苦味酸(
2022, 30(11):1157-1164. DOI: 10.11943/CJEM2022166
摘要:为了掌握2,4,8,10-四硝基苯并-1,3a,6,6a-四氮杂戊搭烯并吡啶(BPTAP)独特的荧光性能,研究了BPTAP在不同溶剂(乙腈、甲醇、四氢呋喃、丙酮、三氯甲烷、乙酸乙酯、N′,N′-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜)、含水量(0~100%)和pH(2.0~12.0)中的光谱性质,考察了光照、温度、pH等对BPTAP溶液荧光稳定性的影响,并结合超高效液相色谱-高分辨质谱联用技术解析了BPTAP的荧光衰退机制。结果表明,尽管BPTAP拥有4个硝基取代基,但其在部分有机溶剂中展现出较强的绿色荧光。BPTAP在乙腈中荧光强度最大,其最大吸收/发射波长为460 nm/508 nm。低含水量(≤10%)会增加BPTAP荧光强度,而高含水量(>10%)会使BPTAP荧光强度急剧下降。BPTAP在酸性、中性及弱碱性中具有较强荧光,当pH大于≥9.0时,BPTAP荧光强度随pH增大急剧下降。BPTAP在室温和自然光下稳定性较好,光照波长越接近其最大吸收波长,荧光稳定性越差。升高温度会使BPTAP荧光稳定性变差。pH增大不仅会降低BPTAP的荧光强度,同时也会加速BPTAP荧光的衰退。BPTAP在碱性条件下的荧光衰退机制涉及基于亲核取代反应的化学变化过程,BPTAP吡啶环对位的硝基在碱性溶液中被羟基所取代,形成新的化合物
2022, 30(11):1142-1147. DOI: 10.11943/CJEM2022119
摘要:为了探究三维石墨烯的红外消光性能,采用热化学沉积法制备了三维石墨烯粉体,通过电镜、拉曼光谱仪和X射线衍射仪表征了三维石墨烯粉体的形貌和结构特征,利用粉体综合特性仪测试了其流散性;利用烟幕箱试验测试了三维石墨烯的红外消光性能,并与复合石墨、碳纤维的消光性能进行了比较。结果表明:三维石墨烯的红外消光性能优异,在红外波段为3~5 μm和8~14 μm时,其平均质量消光系数分别约为1.32 m2·g-1和1.09 m2·g-1。与复合石墨和碳纤维相比,其在3~5 μm的平均质量消光系数分别提高了57%和132%,其在8~14 μm的平均质量消光系数分别提高了35%和102%,具有更优异的红外消光性能。
2022, 30(11):1177-1186. DOI: 10.11943/CJEM2022013
摘要:桥联富氮杂环化合物具有丰富的多样性,良好的热稳定性和优异的能量密度,是潜在的高能量密度材料,受到了国内外学者的广泛研究和报道。其中,亚氨基(—NH—)作为桥联单元,不仅能提高化合物的生成焓和能量密度,还能通过桥联的亚氨基形成氢键而降低感度,构建高能低感含能材料。本文介绍了亚氨基桥联富氮杂环化合物及其盐的研究进展,综述了这些含能化合物的制备方法、理化性质和爆轰性能,对亚氨基桥联富氮杂环化合物未来的发展潜力和重点研究方向进行了展望,从而为亚氨基桥联富氮杂环化合物的设计与合成提供借鉴和参考。
乔琛 , 梁义 , 吴金婷 , 谌思嘉 , 赵廷兴 , 张勇 , 黄明 , 李鸿波
2022, 30(11):1135-1141. DOI: 10.11943/CJEM2022154
摘要:高纯度2,4,6-三硝基-5-乙氧基-1,3-苯二胺(DATNEB)可作为内标物,通过高效液相色谱法对含氯法合成的1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)的纯度进行精确分析。为研究DATNEB的合成及其含能特性,以苦味酸为原料,经4-氨基-1,2,4-三唑(ATA)氨化,原甲酸三乙酯乙基化两步制得高纯DATNEB,总收率为32.5%,纯度≥99.8%。产物经红外(IR)、核磁(1H NMR、13C NMR)、质谱(MS)以及单晶X-射线衍射确证结构。对苦味酸双氨基化机理和中间体二氨基苦味酸羟基乙基化机理进行了探讨,且对DATNEB热性能和爆轰性能进行了研究。结果表明,DATNEB为单斜晶系,空间群为P21/c,晶体学参数为:a=1.21261(7) nm,b=0.89654(4) nm,c=1.12310(6) nm,V=1.17675(11) nm3,Z=4,D=1.62 g·cm-3。吸热峰温为193.9 ℃,放热峰温为236.0 ℃,具有较好的热稳定性。理论爆速为7.05 km·s-1,爆压为21.14 GPa,总体爆轰性能与三硝基甲苯(TNT)相当,但感度远低于TNT和环三亚甲基三硝胺(RDX)。因此合成的高纯DATNEB不仅可作为内标物,用于分析含氯法合成的TATB纯度,还有望作为熔铸炸药的辅助组分。
2022, 30(10):1069-1080. DOI: 10.11943/CJEM2022197
摘要:硝基苯类化合物广泛存在于火炸药、石化、染料等行业,在其生产过程中产生大量硝基苯类废水,因其结构稳定、毒性大、可生化性差等特点备受广大科技工作者关注。传统废水处理方法存在传质受限、处理效率低等问题,利用超重力技术强化处理硝基苯类废水成为一种新的颇具潜力的方法。本文综述了超重力强化物理法、还原法、臭氧高级氧化法等处理硝基苯类废水方法研究进展,包括强化传质过程、材料制备、催化降解等方面,并对超重力强化处理硝基苯类废水放大过程中应关注的关键问题以及今后对优化结构、延长液体停留时间的研究方向进行了阐述和展望。
2022, 30(10):1047-1054. DOI: 10.11943/CJEM2021277
摘要:2,4,6-三硝基甲苯(TNT)是军事活动中最重要的武器能源体,其不仅具有强大的毁伤作用,同时还具有化学毒性,即使是痕量的TNT,也会对自然环境、人类健康造成严重威胁。因此,发展具有高灵敏、高准确性、快响应的痕量炸药检测技术,对保护生态环境、维护人类健康具有深远研究意义。在众多痕量检测技术中,生物传感技术具有选择性好,合成简单,响应快,灵敏度高等优势,具有良好的应用前景。本文综述了近年来生物传感技术在痕量炸药检测中的研究进展,重点讨论了抗体免疫、肽、适配体、酶以及多参量加载5大类生物传感器的优势以及局限性。其中基于适配体制备的传感器对炸药分子具有良好的亲和力以及特异性,检出限相较于其他几类传感器低1000倍,且稳定性良好,易于改造修饰,结构拓展能力强。今后研究的重点为基于适配体等生物受体元件构筑的高通量痕量炸药传感系统,结合神经网络算法,机器学习技术,构筑具有多重检测以及仿生遥感性能的痕量炸药生物传感技术。
张杰 , 康超 , 龚建良 , 郭旺军 , 伍致生 , 王户生
2022, 30(10):1030-1046. DOI: 10.11943/CJEM2022195
摘要:从化学转化及微生物降解2个方面综述了2,4,6-三硝基甲苯(TNT)资源化再利用的研究进展及应用。化学转化途径以TNT甲基氧化、硝基还原、取代反应等进行分类,系统地梳理了多样性的化学转化途径,结合资源化再利用从绿色环保、反应机理、反应效率、产物特性等多个维度进行了评价;微生物转化途径以需氧细菌、厌氧细菌和真菌代谢进行分类,较为全面的梳理了TNT微生物需氧代谢和厌氧代谢途径,汇总了相关微生物及代谢过程。最后对基于化学转化和生物转化的废旧TNT资源化再利用发展方向进行了展望:TNT化学转化将超越实验室研究阶段,绿色工艺研究及安全性将是本阶段研究的重点; TNT微生物转化依旧是研究重点,结合基因工程及现代分子生物学技术,有望为废旧TNT深度再利用提供新的解决方案。
2022, 30(10):1055-1068. DOI: 10.11943/CJEM2022138
摘要:芳香族硝基化合物中的硝基苯、硝基甲苯、二硝基苯酚等都是炸药的主要成分,除了它们本身的爆炸性和危险性,还具有高稳定性及高毒性,对人类健康、土壤、水源及生态环境都会造成极大的危害。本研究介绍了目前芳香族硝基化合物废水处理技术的现状,依据物理处理、化学处理和生物降解三种处理方法,进行了各种技术优缺点的总结,并展望了发展趋势。三种处理方法中物理处理法存在潜在的二次污染风险,生物降解法时间成本较高,故认为化学处理法是最具发展前景的方法,其中的光催化法仅借助太阳光就可高效降解芳香族硝基化合物废水,具有绿色环保、节能等优点,虽该方法还未运用到实际应用中,但可将其他处理技术与光催化法联合应用,达到取长补短、相得益彰的效果。
韩凯 , 丁任琪 , 李连强 , 张梦龙 , 安崇伟 , 刘意 , 谢占雄
2022, 30(9):911-919. DOI: 10.11943/CJEM2022171
摘要:为考察氟碳树脂(FEVE)在炸药油墨中的应用效果,以聚乙烯醇(PVA)水溶液为水相,FEVE乙酸乙酯溶液为油相,设计了一种新型水包油乳液型黏结体系,并加入亚微米ε-CL-20颗粒,配制CL-20基炸药油墨进行直写技术打印。采用扫描电子显微镜、流变测试仪、X射线衍射仪、撞击和摩擦感度测试仪对打印成型样品进行形貌表征和传爆性能测试。结果表明,PVA/FEVE水包油乳液型黏结剂体系稳定存在时间可达174 h。90%固含量的CL-20的炸药油墨流变性能最佳,具有良好的可打印性。所得直写打印成型样品表面光滑,为多微孔内部结构,CL-20炸药晶型仍为ε型。打印样品的撞击能和摩擦力分别为216 N和4.5 J,相比原料ε-CL-20,撞击感度和摩擦感度分别降低了125%和200%。打印样品的爆速、临界传爆拐角、1 mm线宽临界传爆厚度和方形截面临界传爆尺寸分别为6772 m·s-1、160°、0.039 mm和0.4 mm×0.4 mm,具有优异的微尺度传爆能力。
龙婷 , 张思宇 , 刘天林 , 黄明 , 李金勇 , 杨海君
2022, 30(9):966-970. DOI: 10.11943/CJEM2022041
摘要:为解决五唑金属盐合成中分离纯化困难等问题,以芳基五唑C—N切断反应后处理所得五唑钠水溶液为研究对象,采用沉淀法对五唑金属盐进行了分离纯化研究。结果表明,五唑钠水溶液中含有大量有机酸盐,以及硝酸钠、氯化钠等无机盐杂质。与N5负离子相比,有机酸根更易与金属离子形成沉淀,从而影响五唑金属盐析出。将五唑钠水溶液调节为酸性,萃取除去有机酸盐后加入氯化钴,成功沉淀得到五唑钴金属盐。研究发现,pH值越低,有机酸盐的去除效率越高,五唑钴纯度越好。确定了五唑钴的适宜分离纯化条件:pH值为3,氯化钴与原料4-氨基-2,6-二甲基苯酚(
马英杰 , 慕萍 , 颜焱 , 任晓婷 , 燕超 , 何金选
2022, 30(8):764-770. DOI: 10.11943/CJEM2022121
摘要:以3,4-二氨基呋咱为起始原料,通过硝化、环化、成盐反应合成了4H-[1,2,3]氧化三唑并[4,5-c]呋咱(TODO)的羟胺盐及铵盐。采用蒸发溶剂法制备出TODO羟胺盐(HATODO)与TODO铵盐(ATODO)共晶化合物,通过单晶X射线衍射、傅里叶变换红外光谱和核磁分析对该化合物的结构进行了表征。采用热重-差示扫描量热仪研究了其热稳定性,依据GJB772A-97方法测试了感度。采用Explo5V6.0对其爆轰性能进行了预测。结果表明:HATODO/ATODO共晶晶体为单斜晶系,P21/c空间群,晶体学参数为:a=8.5202(3)Å, b=10.3870(4)Å,c=13.4481(4) Å,α=90°,β=102.0510(10)°,γ=90°,V=1163.92(7)Å3,Z=4。该共晶主要依靠N+─O-…H型氢键作用和N─H氢键作用形成。TODO羟胺盐的分解温度为147.9 ℃,TODO胺盐的分解温度为167.4 ℃,HATODO/ATODO共晶的起始分解温度为151.2 ℃,撞击感度为3.9 J,摩擦感度为78%,静电感度为129.7 mJ,计算爆速为8462 m·s-1,计算爆压为32.07 GPa。
刘畅 , 叶宝云 , 刘乾 , 安崇伟 , 王晶禹 , 赵凤起 , 赵嘉静
2022, 30(7):659-665. DOI: 10.11943/CJEM2021330
摘要:含能材料晶体的粒度和形貌对其性能影响较大,为了研究1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)炸药晶体形貌、粒度与其热分解性能的关系,采用溶剂-非溶剂法制备得到了不同形貌、粒度的FOX-7炸药颗粒。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、差示扫描量热仪和撞击感度测试仪分别对FOX-7炸药的晶体形貌、粒度、晶型、热分解性能和安全性能进行了表征和测试。结果表明,通过改变降温速率、搅拌速率等工艺条件,可以得到海胆形、球形、花状和块状等不同形貌的FOX-7炸药颗粒,所制备的FOX-7炸药晶型与原料一致,均为α型;粒度和形貌对FOX-7分子内氢键的断裂和共轭体系的破坏影响较大,球形形貌有利于提高FOX-7的热分解温度;同一形貌的FOX-7样品,粒径越大,热稳定性越好。在粒径为几十微米的FOX-7样品中,球形形貌的FOX-7样品安全性能最好。
2022, 30(7):726-735. DOI: 10.11943/CJEM2021308
摘要:高通量含能分子设计需要兼顾准确性与效率的性能预测方法。结合原子化方案,对常见的3种不同水平的理论方法(半经验PM6方法、密度泛函理论方法B3LYP/6-31G(d,p)和高精度的完全基组CBS-4M方法)用于高通量含能分子设计筛选的生成焓(HOF)计算适宜性进行了评估。计算并比较了20种含能分子的固相HOF,发现不同理论水平预测结果存在较大差异;而基于10种常见含能分子的不同水平下的HOF,实验密度和Kamlet-Jacobs(K-J)、Becker-Kistiakowsky-Wilson(BKW)与Virial-Wu (VLW)3种模型预测的爆轰性能差别不大。其中B3LYP方法具有最佳适宜性,具有较高的计算效率且爆轰性能预测结果同CBS方法接近,如基于BKW模型计算的爆速和爆压的平均相对偏差仅为0.4%和1.2%。而低精度的PM6方法和高耗时的CBS方法难以满足兼顾高通量含能分子设计筛选中的精度和效率的要求。这表明,在高通量的含能分子设计筛选中,可考虑中等精度的方法进行快速的HOF预测。
郭春雨 , 李廷润 , 赵洋洋 , 包淑霞 , 张慧娟 , 吴瑞凤
2022, 30(6):557-563. DOI: 10.11943/CJEM2021273
摘要:为了研究PVA-nAl/HTPB的铝水反应特性,将端羟基聚丁二烯(HTPB)包覆的纳米铝粉(nAl/HTPB)分散于物理交联法制备的聚乙烯醇(PVA)水凝胶中得到聚乙烯醇-nAl/HTPB。通过研究25、40、55、70、85 ℃和100 ℃下PVA-nAl/HTPB复合物在0.1 mol·L-1 NaOH溶液中的铝水反应及反应后残渣,探究铝水反应机理。结果表明,PVA-nAl/HTPB的最大产氢量和最大产氢速率分别比PVA-nAl高76 mL·g-1和80 mL·g-1·min-1,铝水反应的最终产物为羟基氧化铝(AlO(OH))。
卢国强 , 陈淑秉 , 陈树芳 , 吴文启 , 王旭波 , 黄洪勇
2022, 30(6):579-583. DOI: 10.11943/CJEM2021229
摘要:为提高高氯酸钾(KClO4)使用安全性能,通过葡萄糖和银氨溶液化学反应对KClO4颗粒表面进行改性处理,制备了高氯酸钾/银(KClO4/Ag)复合粒子。用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热分析(DSC)等表征手段分析了改性前后的颗粒形貌、物相组成、热分解温度、机械感度等性能。结果表明,KClO4/Ag复合粒子球形化效果明显,表面光滑,无明显棱角,在保留KClO4原有的安定性好、分解温度高等优点基础上,还具备了银金属特性;与原料KClO4相比,KClO4/Ag复合粒子机械感度明显降低,摩擦感度爆炸概率从90%降低至50%,撞击感度爆炸概率从70%降低至40%;同时,KClO4/Ag复合粒子的热分解性能与原料KClO4相比明显不同,放热峰提前了12 ℃,且分解效率更高。
2022, 30(6):542-549. DOI: 10.11943/CJEM2021287
摘要:为了满足火炸药对不同数均相对分子质量(Mn)热塑性黏合剂的需求,研究针对聚叠氮缩水甘油醚(GAP)基含能热塑性弹性体(GETPE)的Mn可控聚合与应用,考察了聚合反应介质、固含量等因素对GETPE聚合可控性的影响,探索了应用在线粘度监测法制备Mn可控GETPE的方法。结果表明,通过在线粘度监测法可较准确地控制GETPE产品的Mn,在20000~50000范围内,误差率可控制在5%内;GETPE与火炸药常用材料相容性良好,在高能PBX炸药与高固含量推进剂之中具有良好的应用潜能。
2022, 30(6):597-603. DOI: 10.11943/CJEM2021311
摘要:为得到表面活性剂磺基丁二酸钠二辛酯(AOT)对1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)结晶过程的影响规律,通过分子动力学方法(MD)对TATB与AOT溶液的界面相互作用进行了研究。首先采用Morphology模块中的Bravis-Friedel-Donnary-Harker(BFDH)模型和Adhesion Energy(AE)模型,确定了真空中TATB晶体的7个主要晶面,然后建立了TATB晶面与AOT溶液的界面模型,进行了分子动力学方法模拟,并运用修正后的AE模型,对所得数据进行了处理。结果显示,真空中TATB晶体的主要晶面分别为(0 0 1)、(1 0 -1)、(1 -1 0)、(1 0 0)、(1 -1 1)、(0 1 -1)和(0 1 0)面,AOT溶液对TATB的结晶速率具有整体促进作用。通过分析TATB晶面结构及分子间相互作用,认为(0 0 1)面的特殊平面结构,导致其与AOT溶液的相互作用较弱,附着能较低,为119.832 kJ·mol-1,因此在结晶过程中生长速率相对较慢,而(1 0 -1)、(1 -1 0)、(1 0 0)、(1 -1 1)、(0 1 -1)和(0 1 0)晶面附着能较高(均高于119.832 kJ·mol-1),生长速度相对较快。因此,在结晶实验过程中,TATB首先呈现叶片状结构,随着时间推移,(0 0 1)面逐渐生长,最终呈现长叶片状结构。
石婧 , 李岚 , 刘佳辉 , 白亮飞 , 李新喜 , 段晓惠 , 田强
2022, 30(6):550-556. DOI: 10.11943/CJEM2021151
摘要:为了探究高聚物黏结剂对奥克托今(HMX)相变行为的影响,使用压装成型工艺制备了含聚酯型聚氨酯(HMX-Estane)、氟橡胶(HMX-F2314)、硝化纤维素(HMX-F2314-NC)的HMX基高聚物黏结炸药以及纯HMX药柱,利用原位变温X射线广角散射(WAXS)技术和差示扫描量热法,研究了热刺激下样品中HMX的相变行为和机制。WAXS结果表明,HMX-Estane(95∶5)、HMX药柱、HMX-F2314(95∶5)、HMX-F2314-NC(95∶3∶2)的相变起始温度(Ti)分别为186 ℃、188 ℃、192 ℃、198 ℃。相比于HMX药柱,黏结剂中加入少量的NC(2%),Ti可提升10 ℃。真空条件下,4种样品从高温δ相降温至100 ℃保温,只有HMX-Estane发生了δ→β逆相变且在3.5 h内δ相全部转变为β相,而其他样品均未发生相变,仍为δ相。β-HMX在HMX-Estane界面位置的溶解(升温过程)和析出(降温过程)可能是促进HMX-Estane发生β→δ相变,及其逆相变的主要因素。
2022, 30(6):564-570. DOI: 10.11943/CJEM2021272
摘要:为准确测定1,3-二氯-2,4,6-三硝基苯(DCTNB)产品的纯度,建立了DCTNB及其合成过程中产生的杂质(1,5-二氯-2,4-二硝基苯(DCDNB)、2,3,4-三氯-1,5-二硝基苯(TCDNB))的高效液相色谱分析方法,研究了流动相体系及比例、流速及进样量等色谱条件对DCTNB高效液相色谱分离效果的影响,定量分析采用外标法进行。结果表明,最优的色谱条件为:Hypersil ODS2 色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),紫外检测波长240 nm,流动相为VACN/VWater=55/45,流速1.2 mL·min-1,柱温25 ℃,进样量10 μL。在上述色谱条件下,DCDNB,DCTNB和TCDNB的保留时间分别为9.20,10.50,14.17 min,各紫外吸收峰的分离度均大于3.70,分离效果良好。DCDNB,DCTNB和TCDNB分别在5~250,5~500,5~250 mg·L-1浓度范围内线性关系良好,线性相关系数R2>0.999,检出限分别为0.47,0.68,0.85 mg·L-1,定量限分别为1.58,2.28,2.82 mg·L-1,相对标准偏差为1.01%~1.27%,加标回收率为98.82%~102.13%。
詹乐武 , 张一帆 , 李营 , 张松 , 侯静 , 李斌栋
2022, 30(5):446-450. DOI: 10.11943/CJEM2022018
摘要:为改善2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)的形貌以及减小粒径。基于溶剂-非溶剂法,通过超声辅助微流控技术制备纳米LLM-105。采用场发射扫描电镜(FE-SEM)观察样品的微观形貌,X射线衍射(XRD)分析样品的晶型。此外,通过流体可视化证明了超声波对于流体混合的促进作用。结果表明,通过超声所制备的样品颗粒更小,粒径更均匀,平均粒径为137.65 nm,并且形貌为类球型,且晶型较原料未发生改变。差示扫描量热分析(DSC)表明纳米LLM-105的热分解温度较原料降低。说明超声辅助的引入,不仅可以提高制备纳米LLM-105的效率,还会使其粒径显著减小。
张行程 , 张梦娇 , 牛雪洁 , 杨文静 , 喻莉 , 胡文祥 , 周秋菊
2022, 30(5):467-474. DOI: 10.11943/CJEM2021281
摘要:以间苯三酚和1,3-二氟苯为原料,经硝化、成环等三步反应得到化合物12,14,16,34,36,52,54,56,74,76-十硝基-2,4,6,8-四氧桥-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烃-15,55-二醇(
2022, 30(5):511-526. DOI: 10.11943/CJEM2022023
摘要:炸药的综合性能不仅取决于其化学组成,更大程度上取决于其晶体颗粒形态,有时其结构形态还成为关键作用因素。微流控技术因其较高的传质传热效率、精准的参数控制和本质安全性在炸药结构形态调控方面具备很大的优势,成为新的研究关注点。本文就液滴流和连续流在起爆药和猛炸药的粒径、粒径分布、晶体形貌和聚集结构方面的研究状况进行分析与总结,分析得出液滴流所具有的稳定反应环境和弹性滞留时间适合于起爆药的结构形态调控,其具备的良好尺寸均一性和单分散性适合于球形化猛炸药微粒的制备,而连续流的高混合效率则与猛炸药的结晶性质更加契合。结合目前相关研究在后处理方式、理论适用性、微流体操纵手段以及智能化程度方面的不足提出了相应的建议,为微流控技术在炸药领域的进一步发展提供了思路和参考。
2022, 30(5):475-482. DOI: 10.11943/CJEM2021245
摘要:为改善2,6-二甲基-4-羟基苯基五唑的产率和纯度问题,实验探讨了以2,6-二甲基苯酚为原料,经亚硝化、还原、成盐三步反应制备芳基五唑的母体原料2,6-二甲基-4-氨基苯酚盐酸盐(DMAPH)晶体的方法。采用红外光谱(IR)、X-射线单晶衍射(SCXRD)、扫描电镜(SEM)、X-射线粉末衍射(PXRD)、差示扫描量热分析(DSC)和理论计算对其化学结构、晶体结构、晶体形貌和稳定性能进行表征。结果表明:以亚硝酸钠和冰乙酸作为亚硝化试剂,亚硝化产率可达90%以上。通过改变析晶溶剂,可获得片状、针状、块状和板状形貌的盐酸盐晶体,而温度只会影响析出晶体的粒径大小。甲醇溶剂析出的DMAPH晶体主要占比晶面是(400)晶面,其他溶剂析出的主要占比晶面为(214)晶面。DMAPH的分解峰温在220~240 ℃,具有良好的热稳定性,相比无定型的DMAPH粉末,晶体对空气的稳定性较好,比较适合长期储存。
周星屹 , 闫樊钰慧 , 曹金乐 , 石锦宇 , 朱朋 , 吴立志 , 沈瑞琪
2022, 30(5):431-438. DOI: 10.11943/CJEM2022025
摘要:为了获得炸药晶体的溶解度、介稳区宽度等结晶热力学参数,提出了一种基于光流控的炸药结晶热力学参数的测定方法,并以六硝基茋(HNS)炸药为样本验证了该种方法的适用性。以5 K为步长,测定了HNS自318.15 K至353.15 K,在体积比为10∶0,7∶3,5∶5,3∶7,0∶10的DMSO/DMF溶剂体系下的溶解度及HNS在以上DMSO/DMF溶剂体系,318.15 K至333.15 K下的介稳区宽度。采用Apelblat模型、λh模型对收集到的溶解度数据进行拟合,研究了溶剂体系对介稳区宽度的影响,并对结晶参数进行了筛选。根据经典成核理论计算了HNS的表观成核级数m,并对HNS的降温结晶成核机理进行了分析。结果表明,基于光流控的结晶热力学参数测定方法对HNS晶体有着很好的适用性。随着温度的升高与体系内DMSO体积比例的增加,HNS的溶解度增大。随着体系内DMSO体积比例的增加,介稳区宽度变窄。得到最佳结晶条件:以纯DMSO作为溶剂,溶液温度设置为333.15 K,溶质浓度为0.029 g·mL-1。m的值约为4,受起始温度的影响不大,可以推测HNS的成核机制属于连续成核。
刘津搏 , 宁爵勇 , 刘建喆 , 周星屹 , 石锦宇 , 朱朋 , 沈瑞琪
2022, 30(5):459-466. DOI: 10.11943/CJEM2022028
摘要:为了探索一种连续安全可控的乳化炸药微流控合成策略,采用微机电系统(MEMS)制造工艺,设计制备了10,20,30,40 μm四种孔径的硅基微孔阵列芯片并构建了乳化炸药微流控反应装置。研究发现,影响乳胶基质分散相液滴粒径的主要因素是微孔孔径和连续相流速,探究了孔径尺寸、油水两相流速对乳化液滴粒径分布和放热性能的影响规律。结果表明,当微孔孔径为30 μm、连续相流速为0.5 mL·min-1时,基质中分散液滴的粒径分布最窄,D50=8.169 μm。微孔阵列芯片能够批量生成均一度较高的液滴,为乳化炸药制备过程中的乳化阶段提供了新的选择。
周近强 , 罗凯 , 郭云雁 , 朱瑞 , 时嘉辉 , 武碧栋 , 安崇伟 , 王晶禹
2022, 30(5):439-445. DOI: 10.11943/CJEM2022006
摘要:为了调控高聚合物黏结炸药(PBXs)的形貌、粒径分布和涂层包覆效果,采用高灵敏度的液滴微流控技术制备了TATB/F2602微球。研究了黏结剂含量和流量大小对TATB/F2602微球的形貌和粒径的影响。通过扫描电镜、X射线衍射、比表面积、DSC和TG等测试方法,系统研究了微球样品的形貌、结构、成分和热行为。结果表明:黏结剂含量为5%时微球具有光滑表面、规则球形形状和高单分散性,平均圆形度为0.921(跨度为0.040);通过调控流量比逐渐增大,微球样品D50从51.73减小到44.31 μm,且粒径分布窄(跨度小于0.4);氟橡胶(F2602)均匀分布于TATB微球内部和表面,均匀地包覆TATB颗粒使微球样品热分解延后4.08 ℃;与原料TATB相比,球形化过程使TATB/F2602真密度增加到1.9780 g∙cm-3。液滴微流控技术可以有效调控炸药微球的形貌和粒径,为高聚物黏结炸药的球形化制备提供参考。
费翼鹏 , 石锦宇 , 朱朋 , 沈瑞琪 , 杨斌 , 杨安民 , 褚恩义
2022, 30(5):417-423. DOI: 10.11943/CJEM2022024
摘要:为了实现超细锆(Zr)粉表面包覆改性的制备过程安全,研究了一种在微尺度下连续流动制备核壳结构Zr粉的方法,并构建了一个由微流控单元和喷雾干燥单元组成的连续化微流控系统以验证其可行性。该系统可连续化实现组分的微尺度混合、核壳结构的形成以及样品的后处理。以Zr粉和硝化纤维素(NC)为组分,通过控制NC含量并在微尺度上调节干燥气体压力,对Zr@NC的结构调控进行了研究。采用热分析法与静电火花感度测试对Zr@NC的活性与安全性进行了分析。结果表明,连续化微流控系统可以成功制备出形貌良好、具有核壳结构的Zr粉;热分析结果表明,Zr@NC相比未包覆时的氧化增重仅降低1.04%,能量释放更为迅速;静电火花感度测试结果表明,Zr@NC的50%发火能量相比原料Zr粉从1.42 mJ提升至197.82 mJ,静电火花感度大幅降低。
2022, 30(5):424-430. DOI: 10.11943/CJEM2022019
摘要:为了提高2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇(TMPD)的生产效益,改变传统的釜式间歇生产工艺,采用更加高效的微通道连续流工艺,以异丁醛为原料,氢氧化钠溶液为催化剂,一步合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇。考察了催化剂氢氧化钠浓度、用量、温度、停留时间等工艺参数对反应的影响,并对其进行了优化。结果表明,氢氧化钠浓度为50%,v(异丁醛)∶v(NaOH)=1∶1,停留时间10 min,反应温度40 ℃为最佳工艺条件。在该条件下,异丁醛转化率达到99.02%,2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇选择性达到93.57%,收率达到92.65%。该工艺充分利用微通道反应器优良的传质传热特点,缩短了反应时间,提高了反应速率,扩大了工艺条件选择区间,实现了对羟醛缩合反应过程的有效控制。同时,反应动力学研究显示,异丁醛生成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的反应为二级反应,在氢氧化钠浓度为50%时,反应表观活化能最小为26.34 kJ·mol-1,指前因子为2888.26 L·K-1·mol-1·min-1。
韩晓丽 , 陈雨 , 祁轩 , 王天平 , 李林 , 易镇鑫 , 张琳 , 李燕 , Haseena Saeed
2022, 30(4):301-308. DOI: 10.11943/CJEM2021284
摘要:为了提高锆/四氧化三铅(Zr/Pb3O4)混合药剂的混合均匀性和工艺安全性,以海藻酸钠(SA)为微胶囊黏合剂,通过液相连续流混合,在水相中利用SA与Ca2+交联生成海藻酸钙(CA)凝胶,制备了CA/Zr/Pb3O4微胶囊。对CA/Zr/Pb3O4微胶囊和传统工艺制备的NC/Zr/Pb3O4颗粒进行形貌、粒度、球形度、流散性以及假密度等表征,表明CA/Zr/Pb3O4微胶囊平均粒径为517.10 μm,方差为44.21 μm,球形度为0.90,安息角为27.44°,粒径均一,球形度良好,流散性好。对CA/Zr/Pb3O4微胶囊进行火焰感度、燃速、火焰长度以及感度测试,表明CA/Zr/Pb3O4微胶囊火焰感度为65.38 mm,低于Zr/Pb3O4粉末的81.83 mm,火焰感度有所下降;CA/Zr/Pb3O4微胶囊燃速偏差为6.86,远低于Zr/Pb3O4粉末的燃速偏差12.04,燃烧一致性好;CA/Zr/Pb3O4微胶囊的火焰长度比Zr/Pb3O4火焰长17.1 mm,粒子更多;CA/Zr/Pb3O4微胶囊的静电感度大于156.25 mJ,远大于Zr/Pb3O4粉末的0.71 mJ,静电感度有所降低,两者撞击感度都大于100 J,摩擦感度都大于360 N。制备工艺在水相中进行,安全性高且方法具有普适性,适用于多种火工药剂。
陈世勇 , 张琳 , 李燕 , 易镇鑫 , 陈厚和 , 朱顺官
2022, 30(4):309-315. DOI: 10.11943/CJEM2021322
摘要:为探索具有合成简单且能量水平较高的有机胺含氧酸盐,选取碘酸和乙二胺合成了两种含能化合物,分别为乙二胺二碘酸盐和乙二胺六碘酸盐,测定了化合物的单晶结构。利用X-射线衍射仪、傅里叶红外光谱、差示扫描量热仪和热重分析仪对样品进行了结构表征和热分解性能分析,并在8#工业雷管中作为主装药进行了轴向输出实验以及松装条件下的燃烧实验。结果表明,乙二胺二碘酸盐属于正交晶系,Pbca空间群,晶胞参数为a=7.4427 Å,b=6.7418 Å,c=18.2884 Å,Z=8,F(000)=760,Dc=2.982 g·cm-3,分解温度为185.18 ℃,做主装药时能够使5 mm铅板贯穿。乙二胺六碘酸盐为乙二胺二碘酸盐和碘酸的共晶化合物,属于单斜晶系,P21/c间群,晶胞参数为a=7.2350 Å,b=18.498 Å,c=7.5494 Å,β=107.947°,Z=4,F(000)=996,Dc=3.840 g·cm-3,两个放热分解峰为179.48 ℃和356.87 ℃,做主装药时不能使5 mm铅板贯穿,但其与质量分数为10%的纳米铝粉混合后,则能将5 mm的铅板贯穿。乙二胺二碘酸盐和加入质量分数为10%铝粉的乙二胺六碘酸盐燃烧时均能产生紫色的烟雾,乙二胺二碘酸盐可以作为一种单质紫色发烟剂。
2022, 30(4):294-300. DOI: 10.11943/CJEM2021332
摘要:以氰基硼氢根(CBH)为阴离子、1-乙烯基咪唑(VIM)为配体,过渡金属Co、Mn、Ni为中心离子制备出3种具有高还原活性的含能配合物,通过X-射线单晶衍射仪准确测定其晶体结构,3种含能配合物的分子式分别为Co(VIM)4(CBH)2、Mn(VIM)4(CBH)2、Ni(VIM)4(CBH)2。对3种配合物的热分解性、燃烧热值和机械感度进行了测试。结果表明,3种配合物均具有较高的燃烧热值(26.5~29.1 kJ·g-1),较低的摩擦感度(>360 N)和撞击感度(>40 J)。与白烟硝酸的点火试验表明,3种配合物均能发生自燃反应,且点火延迟时间较短(4~13 ms),证实了配合物的高还原活性。为探究高活性配合物在火工药剂方面的应用,分别将3种配合物与溴酸钠以1∶7的质量比混合,获得3种新型复合点火药,并用电热丝对其进行了点火测试,3种复合药剂被电热丝点燃后均能持续燃烧,产生较大的火焰。结果表明,高活性配合物燃料与氧化剂混合所制得的复合药剂具有作为新型点火药的潜力。
万早雁 , 李晨 , 李燕 , 易镇鑫 , 叶迎华 , 张琳 , 朱顺官
2022, 30(4):316-323. DOI: 10.11943/CJEM2021321
摘要:纳米铝热剂向着高能方向发展的一个重要限制因素是在铝热反应过程中缺少大量的气体产物。为了弥补纳米铝热剂产气量不足的缺陷,提高纳米铝热剂的反应活性,通过喷雾干燥法制备了具有核-壳结构的纳米铝热剂Al@KIO4和Al@NaIO4。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、热分析仪、定容燃烧实验、吸湿性实验和威力测试对两种铝热剂的形貌结构、热性能、定容燃烧性能、耐潮湿环境能力和起爆性能进行评估。结果表明,喷雾干燥法制备的Al@KIO4和Al@NaIO4纳米铝热剂的形貌规则、纯度高,铝热反应的总放热量分别为1262.12 J∙g-1和1414.7 J∙g-1;两种铝热剂反应过程中的反应起始温度低,反应中伴随大量氧化性气态产物生成;高湿环境中两种铝热剂分别在第6天和第10天达到质量平衡,质量增重约0.64%和0.65%,耐潮湿环境能力良好;96 mg铝热剂作为起爆药装配到8#工业雷管中能使黑索今完全爆轰,可使5 mm厚的铅板穿孔,穿孔直径几乎到达叠氮化铅的水平。将96 mg的Al@KIO4、Al@NaIO4、斯蒂芬酸铅和叠氮化铅分别作为起爆药装填在8#工业雷管中使黑索今完全爆轰,根据5 mm厚的铅板穿孔直径判断起爆能力为:叠氮化铅>Al@NaIO4>Al@KIO4>斯蒂芬酸铅。
时嘉辉 , 罗凯 , 刘淑杰 , 周近强 , 武碧栋 , 安崇伟 , 王晶禹
2022, 30(4):349-355. DOI: 10.11943/CJEM2021295
摘要:为了改善常规方法合成3,3′-二氨基-4,4′-氧化偶氮呋咱(DAAF)性能上存在的不足,拓宽DAAF的合成途径,设计了微流控反应系统,以3,4-二氨基呋咱(DAF)为主要原料,利用微流控技术合成了DAAF,并设计正交实验优化了合成工艺条件。在温度25 ℃,流速4 mL·min-1,出口结晶管长度5 m下合成了纯度为99.33%,收率为89.96%的DAAF。利用红外、核磁和元素分析表征了合成产物的结构,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、热分析仪(DSC/TG)以及机械感度进行表征。结果表明:DAAF呈团簇花球状,平均粒径为5.36 µm;微流控技术合成对DAAF晶体结构无影响;在10 ℃·min-1的升温速率下,其热分解峰温为262.36 ℃,热分解过程质量损失为82.79%;机械感度测试结果表明,其撞击感度为90 J,摩擦感度为0%。与常规方法合成的DAAF相比,其平均粒径减小7.36 µm,粒度分布均匀且粒径分布范围变窄,晶体结构未变化,热分解峰温提前9.57 ℃,热分解过程质量损失降低6.99%,撞击感度提高5 J,安全性能有所提高。
2022, 30(3):236-241. DOI: 10.11943/CJEM2021195
摘要:以3,4-二氨基呋咱和草酸为原料经酰胺缩合反应一步法直接合成了[1,2,5]噁二唑[3,4-b]吡嗪-5,6-(1H,3H)-二酮(
2022, 30(3):256-261. DOI: 10.11943/CJEM2021189
摘要:为了探究3,5-二甲基-4-羟基苯基五唑的热分解行为,采用紫外-可见光吸收光谱结合量子化学计算,对3,5-二甲基-4-羟基苯基五唑(HMPP)随温度升高的热分解过程进行了追踪,并通过差示扫描量热仪测试了HMPP的热稳定性。结果表明:HMPP的初始分解温度为-14 ℃,其在紫外-可见光区域由五唑环所产生的特征吸收峰在284 nm处,3,5-二甲基-4-羟基苯基叠氮(HMPA)上的叠氮基所产生的特征吸收峰在258 nm处;随着温度的升高,整个体系在284 nm处的吸收峰逐渐降低。为了探究HMPP紫外可见光吸收光谱变化的具体原因,采用柱层析的方式分离HMPP的分解产物,利用核磁共振氢谱和X射线单晶衍射的方式对HMPP的分解产物进行了结构表征,确定了HMPP的主要分解产物为2,6-二甲基对苯醌和4-((4-羟基-3,5-二甲基苯基)氨基)-2,6-二甲基环己-2,5-二烯-1-酮;并确定了在HMPP热分解结束后,整个体系的紫外-可见光吸收是由化合物
2022, 30(3):242-249. DOI: 10.11943/CJEM2021176
摘要:为了提升乳化炸药的耐低温性能,向乳化炸药水相中加入不同含量的二甲基亚砜(DMSO)。利用析晶率实验、扫描电镜(SEM)观察和猛度实验,研究冷冻后(-2 0℃)乳化炸药的稳定性及爆轰性能,并结合热重-微商热重(TG-DTG)技术研究乳胶基质的热分解特性。实验结果表明,在-20 ℃冷冻条件下,与未添加DMSO的乳胶基质相比,加入1.5%(质量分数)的DMSO能使乳胶基质达到最大析晶率时间由24 d推迟到51 d;冷冻12 d后,含DMSO的乳胶基质其乳胶粒子分布更加均匀,DMSO含量为1.5%的乳化炸药较未添加DMSO的乳化炸药猛度增加29.9%;DMSO的加入对于乳胶基质热分解过程没有明显影响,但会降低其表观活化能,当DMSO含量为1.5%时乳胶基质表观活化能降低约18.5%。
2022, 30(3):228-235. DOI: 10.11943/CJEM2021166
摘要:为了改善熔铸炸药载体3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)感度高、熔点高的问题,使用高能钝感炸药1-甲基-2,4-二硝基咪唑(2,4-MDNI)制备了2,4-MDNI/DNTF低共熔物体系。通过差示扫描量热法(DSC)研究了不同比例2,4-MDNI/DNTF的熔融及液化过程,建立了T-x相图;研究了不同升温速率下2,4-MDNI、DNTF及2,4-MDNI/DNTF低共熔物的熔融和分解过程,分别使用Flynn-wall-ozawa方法、Doyle方法和Kissinger方法计算了2,4-MDNI、DNTF及其低共熔物的热反应动力学参数;对三种物质进行了XRD和SEM分析;通过感度测试研究了2,4-MDNI对DNTF的降感作用;使用EXPLO-5软件,计算了2,4-MDNI/DNTF低共熔物的爆轰性能。结果表明:2,4-MDNI/DNTF最低共熔物的物质的量组成为51:49,平均熔点为92.7 ℃;随着升温速率的升高,熔融及分解反应都将延迟,低共熔物热分解反应的活化能Ea、指前因子A分别为 146.0 kJ·mol-1和4.09×1013;XRD测试中,2,4-MDNI/PETN低共熔物在2θ=18.60°处产生新的衍射峰;且其凝固表面微观形貌比DNTF明显改善。2,4-MDNI的撞击和摩擦感度均为0%,低共熔物的撞击和摩擦感度分别为64%和52%;2,4-MDNI/DNTF低共熔物的理论密度1.844 g·cm-3,计算爆速为8705 m·s-1。2,4-MDNI与DNTF制备成低共熔物后熔点理想,热稳定性良好,同时可以显著降低DNTF的感度而又保持其较高能量水平。
2022, 30(2):96-102. DOI: 10.11943/CJEM2021282
摘要:以五唑银盐(或五唑羟胺盐)和盐酸羟胺为原料,设计并合成了一种新型的基于五唑阴离子的含能共晶化合物(NH3OH+N5-)2·NH3OH+Cl-·H2O。采用单晶X-射线衍射分析(XRD)、傅里叶红外光谱(IR)和元素分析对该化合物的结构进行了表征,晶体属于单斜晶系,P21/n空间群,晶胞参数为a=3.8390(6) Å,b=14.665(2) Å,c=21.975(3) Å,V=1236.4(3) Å3,α=γ=90°,β=92.034(3)°,Z=1,Dc=1.589 g·cm-3。利用差示扫描量热仪(DSC)和热失重分析仪(TG)对(NH3OH+N5-)2·NH3OH+Cl-·H2O的热稳定性进行了研究,结果显示其初始分解温度约为95.6 ℃,热稳定性良好。通过EXPLO5计算其爆速为8260 m·s-1,爆压为23.79 GPa。该共晶化合物具有较低的撞击和摩擦感度(IS>40 J;FS>360 N),盐酸羟胺的共结晶大大降低了NH3OH+N5-的机械感度。
2022, 30(2):130-137. DOI: 10.11943/CJEM2021073
摘要:为了研究高氯酸铵(AP)、硝酸胍(GN)、硝基胍(NQ)、N-甲基-4-硝基苯胺(MNA)、奥克托今(HMX)等含NHn(n=0~4)的化合物影响2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)凝固过程及凝固温度的机制,采用差示扫描量热(DSC)法和光学显微镜法研究了AP含量及不同添加物对DNAN凝固温度的影响;采用显微镜观测了含添加物DNAN试样在薄层中的凝固过程,计算了凝固线速度,获得了试样动态结晶过程特征;采用扫描电镜测试了Φ20 mm药柱断面微观形貌,研究添加物对样品成型性的影响规律;根据结晶热力学理论研究了DNAN凝固焓与凝固温度的关系;分析了含NHn(n=0~4)的化合物对DNAN凝固温度的影响机理并开展了试验验证。结果表明,AP可显著提高DNAN凝固温度,但AP含量及GN、NQ、MNA、HMX等化合物的加入对凝固温度无显著影响;由于凝固温度提高,含AP试样在薄层中凝固线速率最低、结晶为粗大树枝晶。而在体生长时,受结晶潜热影响的纯DNAN微观形貌为柱块状,而含添加物的DNAN试样则显示出结晶细小的特征。分析了DNAN的凝固热力学特征,凝固温度与凝固焓体现出正相关性,且受异质添加物颗粒对非均匀形核的影响。而DNAN凝固温度影响机理及试验验证表明,含NH4+离子的化合物可显著提高DNAN凝固温度。
2022, 30(2):103-110. DOI: 10.11943/CJEM2021223
摘要:以含能化合物3,4-二氨基-5-(3,4-二氨基-1,2,4-三唑-5-基)-1,2,4-三唑(化合物
2022, 30(2):111-120. DOI: 10.11943/CJEM2021094
摘要:为改善钝感炸药3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)的酸性,将NTO分别与3,5-二氨基-1,2,4-三唑(3,5-DATr)、咪唑(IMZ)反应,制备得到了NTO·(3,5-DATr)含能离子盐(
于昊天 , 赵铖 , 陈旎菡 , 尹平 , 何春林 , 庞思平
2022, 30(1):70-77. DOI: 10.11943/CJEM2021114
摘要:多碘含能化合物是近年来发展起来的一类新型杀菌材料,其通过含能组分在受激发后释放出能量或气体驱动其产生的碘基杀菌剂,实现对环境病菌的高效快速洗消,具有响应时间短,灵活性好,杀菌效率高,适应复杂环境需要等优点。本综述总结归纳了通过I2/KI,I2/氧化剂,N-碘代琥珀酰亚胺(NIS),氯化碘(ICl)等用于制备多碘代五元或六元氮杂环的方法,比较分析了不同碘化方法的适用范围和优缺点。指出了未来多碘含能化合物制备重点应围绕提高碘的原子经济性和绿色友好的合成工艺来展开,可为新型多碘含能化合物的设计与合成及规模化制备提供一定的参考。
2022, 30(1):20-33. DOI: 10.11943/CJEM2021067
摘要:为探究含能共晶TKX-55的热解机制及溶剂组分二氧六环(1,4-Dioxane,DIO)对含能组分5,5´-双(2,4,6-三硝基苯基)-2,2´-双(1,3,4-噁二唑)(BTNPBO)热解的影响,基于反应力场(ReaxFF-lg, Reactive Force Field-Low Gradients)开展了TKX-55和纯溶剂组分DIO的分子动力学模拟研究。结果表明,TKX-55的初始分解反应包括了含能分子的二聚反应、含能组分和溶剂组分之间的氢转移、含能组分中1,3,4-噁二唑的开环反应以及硝基解离。二聚反应为后续团簇的快速生长提供了条件,团簇的大量生成限制了热量的释放和稳定小分子产物的释放,这是TKX-55高耐热性的本质原因。纯溶剂组分体系低温下放热量较小,且不易形成团簇,在较高温度下放热量以及团簇的体积和数量明显增加。DIO分子在TKX-55中的主要作用是吸附活性小分子产物(如OH、NO、NO2等),间接抑制BTNPBO的分解进程。
2022, 30(1):12-19. DOI: 10.11943/CJEM2021192
摘要:五唑化合物是当前含能材料领域的一个研究热点,但现有五唑化合物的稳定性普遍偏低。为研发性能更优的新型五唑化合物,基于对已有结构的分析,设计了五唑的系列非芳环吸电子基取代衍生物(N5(CH2)x-1R,R=—NO2,—CF3,—CN,—CHO,—COOH,x=1,2,3,4),采用密度泛函理论方法,计算了与N5环直接相连的侧链化学键的解离能EBD和N5环的分解能垒Ea,并与部分供电子基取代物的结果进行比较,分析讨论了取代基与相关的键长、键级、键临界点电子密度、N5环的电荷和氧平衡对EBD和Ea的影响规律。结果表明,所有分子的Ea均远小于EBD,表明N5环的稳定性是决定五唑分子稳定性的关键因素。对于R与N5直接相连的分子(x=1,即N5R),R为吸电子基时的Ea小于R为供电子基或H时的Ea。随N5环破裂键键长减小、键级增大及临界点电子密度的增大,Ea总体呈增大趋势。N5环是强吸电子基,直接连接强吸电子或强供电子基会使N5环上的负电荷过少或过多,因而都不利于N5环稳定。
2022, 30(1):2-11. DOI: 10.11943/CJEM2021066
摘要:为了研究H2O和H2O2溶剂分子对含能共晶热稳定性的影响机制,采用分子动力学(MD)模拟方法对α-CL-20和CL-20/H2O2(正交、单斜)中溶剂分子的扩散行为及其热解机理进行了研究。结果表明,H2O和H2O2都会随着温度的升高从晶胞中扩散出来,其中H2O分子扩散得更快;温度低于500 K时单斜晶型CL-20/H2O2晶格框架具有阻碍溶剂分子H2O2扩散的作用,而温度高于500 K时,这种阻碍作用将不复存在。热分解过程中,α-CL-20释能最慢,且其中CL-20的分解也是最慢的;温度低于1500 K时,溶剂分子对含能组分热解呈现出一定的稳定化作用,但此作用随着温度的升高而消失。此外,溶剂的存在能明显增加晶格能。
乔申 , 杨宗伟 , 李洪珍 , 于雁武 , 刘玉存 , 王建华
2021, 29(12):1182-1185. DOI: 10.11943/CJEM2021170
摘要:采用溶剂挥发法制备获得1,3,5-三硝基苯/1,4-二硝基咪唑(TNB/1,4-DNI)共晶炸药,通过单晶X射线衍射表征共晶结构,其晶体属于正交晶系,P212121空间群,晶胞参数:a=6.4068(5) Å, b=10.4569(8) Å, c=20.7164(17) Å, α=β=γ=90°, ρ=1.776 g·cm-3, Z=4。采用差示扫描量热法(DSC)分析其热性能,结果表明其熔点为84.4 ℃,明显低于单组份TNB(123.5 ℃)和1,4-DNI(91 ℃)的熔点,且TNB/1,4-DNI共晶炸药经熔融冷却能够重新形成纯共晶炸药。采用经验氮当量法计算得到TNB/1,4-DNI共晶炸药的爆速为7704 m·s-1,爆压为26.08 GPa,明显优于常用熔铸炸药TNT的爆轰性能。因此,TNB/1,4-DNI共晶炸药可作为一种新型熔铸炸药。
郭松松 , 丁可伟 , 卜建华 , 屈晨曦 , 刘红利 , 张敏 , 葛忠学
2021, 29(12):1216-1228. DOI: 10.11943/CJEM2021047
摘要:高张力键或高能化学键是构成颠覆性含能材料的重要基元,但由于难形成、易断裂,它们的构筑一直是化学与含能材料领域中的一个难题。利用分子笼独特的内部空间“协助”构筑此类化学键为相关研究提供了一条可行的路线,并且已经付诸实践。本文归纳了分子笼的“限域效应”、弱相互作用及电子传输等特性,探讨了其在阻止氧气氧化P4等高张力材料、稳定芳基五唑等高活性物质、富集NaN3等反应物以加速反应、改变反应路径等过程中的作用,梳理了分子笼在这些过程中扮演的“防火墙”、“稳定剂”、“加速器”、“搬道工”等角色,为分子笼在TdN4等新型含能化合物的制备与能量可控释放研究提供借鉴。同时,也指出了今后研究的重点方向:设计、合成新型高效的分子笼;开发良好的表征分子笼复合物的方法手段;加强多重环境响应分子笼与含能材料的复合与释放研究。
2021, 29(12):1168-1175. DOI: 10.11943/CJEM2021136
摘要:为了研究晶体形态对炸药物化性能、应用方式和应用效果的影响,采用溶剂-非溶剂结晶法,分别以二甲亚砜(DMSO)为溶剂、乙酸乙酯为非溶剂、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐(EmimOAc)为结晶助剂,制备得到花球状2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)晶体。EmimOAc的添加显著增强了LLM-105在DMSO中的溶解度,改变了LLM-105晶体生长方式和结构形态,对晶型无影响。热分析测试结果表明:花球状LLM-105晶体有两个明显的分解峰温,分别为347.3~350.5 ℃和356.7~360.4 ℃。采用GJB-772A-1997方法601.2测试了花球状LLM-105晶体的撞击感度,采用冲击片雷管起爆测试方法测试了花球状LLM-105晶体的冲击片起爆感度,结果表明:花球状LLM-105晶体的撞击感度与亚微米晶体相当,显著低于针状晶体;冲击片起爆电压低于亚微米晶体。
2021, 29(11):1132-1141. DOI: 10.11943/CJEM2021098
摘要:采用附着能(AE)模型、分子动力学(MD)方法,分别预测了1,1-二氨基-2,2二硝基乙烯(FOX-7)在真空条件下和八种不同溶剂中(二甲基亚砜(DMSO)、丙酮、甲醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、乙酸乙酯(EA)、水(H2O)、DMSO/H2O(V/V=2/1))的晶体形貌,计算了溶剂与晶面之间的相互作用能、溶剂影响下的附着能,得到了模拟晶习及其长径比值。为对比研究,同时采用自然降温法在以上八种溶剂的FOX-7饱和溶液中进行重结晶,得到了不同形貌的晶体。预测结果表明:真空下FOX-7晶体具有六个重要生长晶面:(1 0
2021, 29(11):1076-1079. DOI: 10.11943/CJEM2021186
摘要:为了提高键合剂对多种含能填料的适应性,改善固体推进剂的界面粘接强度,设计开发了一种多功能遥爪键合剂。通过分子动力学模拟和应用评估,对键合剂性能进行了研究。结果表明,该多功能遥爪键合剂对多种填料具有较好的键合作用,通过调整键合剂分子主链结构,可以适应不同的黏合剂体系。并且相对于“三爪”型键合剂,“两爪”型键合剂的支化度更小,在黏合剂中的扩散更容易,键合剂向界面迁移的能力越强,键合作用越好。
2021, 29(11):1039-1048. DOI: 10.11943/CJEM2021116
摘要:以3,3-二(氯甲基)氧杂环丁烷(BCMO)和3-乙基-3-氧杂丁环甲醇(EHO)为原料,通过调节单体BCMO、EHO混合摩尔比m,再经阳离子开环聚合和叠氮化反应制备了一系列叠氮超支化共聚物(r-POB-m)。采用红外光谱(FTIR)、核磁共振(NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)和元素分析等对其结构进行了表征,结果表明该共聚物具有高分子量(>4400 g∙mol-1)、高含氮量(达到43%)且支化度可控。采用X射线衍射仪(XRD)、哈克流变仪及差示扫描量热仪(DSC)分别对其结晶性、黏度和化学相容性进行了测试,结果表明当m=4时,r-POB-4为无定形态且工艺黏度最低,同时与推进剂主要组分相容性良好,适合作为增塑剂。r-POB-4增塑GAP基含能热塑性弹性体(GAP-ETPE)推进剂时,推进剂的断裂延伸率提高了约70%,稠度系数降低了约49%,粘流活化能降低了约20%,且优于端叠氮基聚叠氮缩水甘油醚(GAPA)增塑剂,表明叠氮超支化共聚物作为增塑剂可有效改善ETPE推进剂的力学性能和工艺性能。
2021, 29(11):1061-1067. DOI: 10.11943/CJEM2021099
摘要:为研究氧化石墨烯(GO)对聚叠氮缩水甘油醚(GAP)改性球形药复合材料膨胀系数的影响,制备了含0%、0.5%、1%和1.5% GO的GAP改性球形药复合材料,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和差示扫描量热仪(DSC)分别研究了GAP改性球形药复合材料结构、形貌和热性能,采用静态热机械测试仪(TMA)研究了GO含量对热膨胀系数及玻璃化转变温度的影响。结果表明:GO的添加对固化体系结构及热性能无明显影响,并未发生化学反应;GO的添加可使GAP改性球形药复合材料膨胀系数减小,当添加1% GO时,膨胀系数从3.236×10-4 K-1下降到2.692×10-4 K-1,减小的幅度最大;相对于含0% GO的GAP改性球形药复合材料,随着GO含量的添加,玻璃化转变温度由20.8 ℃升高到25.1 ℃。
汪慧思 , 陶博文 , 张小平 , 顾健 , 李磊 , 杜芳 , 黄丹椿 , 陈红 , 李伟
2021, 29(11):1068-1075. DOI: 10.11943/CJEM2020247
摘要:为提高铝粉的燃烧效率,以自制的硅烷改性氟橡胶(FKM-GW)为包覆剂,采用溶胶凝胶法,制备了铝/改性氟橡胶复合燃料(FKM-GW@Al)。研究了FKM-GW@Al在溶剂中的稳定性,以及不同氟含量的FKM-GW@Al对NEPE高能低燃速固体推进剂的影响。结果表明具有功能性基团的FKM-GW@Al不易脱覆,在乙酸乙酯中的稳定性较强。与纯Al粉相比以氟质量分数为2.58%的FKM-GW@Al,推进剂的爆热由6348.8 J·g-1提高至6831.6 J·g-1,残渣活性铝含量由1.02%降至0.06%,推进剂的静态燃速和动态燃速均降低。最后,通过DSC-TG研究了FKM-GW@Al以及含FKM-GW@Al的推进剂的热分解性能,分析了FKM-GW@Al对推进剂燃烧性能的影响机制。
2021, 29(11):1031-1038. DOI: 10.11943/CJEM2021187
摘要:在多羟基、多胺基聚丁二烯(AEHTPB)基础上,通过羟基的氰乙基化反应,制备了一种多氰基、多胺基聚丁二烯(AEHTPB-CN)。通过红外光谱、核磁共振氢谱对产物的结构进行表征,并对产物的黏度、玻璃化温度、羟值、胺值等理化性质进行了分析。考察了AEHTPB-CN对黏合剂基体力学性能的影响,并通过装药实验探究了AEHTPB-CN对丁羟推进剂力学性能及燃烧性能的影响。结果表明,AEHTPB-CN的加入可有效提高HTPB弹性体的拉伸强度,其原因是AEHTPB-CN分子中的氰基与氨基甲酸酯基团形成氢键,提高了弹性体的内聚能密度。装药实验结果表明AEHTPB-CN在丁羟三组元、丁羟四组元推进剂中均表现出良好的键合、降速效果。添加AEHTPB-CN后可使丁羟三组元推进剂常温环境下拉伸强度提升43.3%,伸长率提升91.3%,推进剂燃烧速度降低11.4%;可使丁羟四组元推进剂拉伸强度提升35.4%,伸长率提升62.0%,推进剂燃烧速度降低10.5%。
2021, 29(11):1025-1030. DOI: 10.11943/CJEM2021082
摘要:为提高聚叠氮缩水甘油醚(GAP)的综合性能,利用共聚型含氟GAP二元醇为预聚物,丁二醇(BDO)为扩链剂,甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)作为固化剂,合成共聚型含氟GAP基热塑性弹性体。分别采用红外光谱(FT-IR)、核磁共振(NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、差示扫描量热分析(DSC)、热重分析(TG/DTG)、拉伸试验和扫描电镜(SEM)对其化学结构、相对分子质量、玻璃化转变温度、热稳定性和力学性能进行表征。结果表明共聚型含氟GAP基热塑性弹性体的数均相对分子质量为33520,玻璃化转变温度为-33.3 ℃,热分解温度大于220 ℃,断裂强度为5.94 MPa,断裂伸长率为886%,具有良好的热稳定性和优异的力学性能。此外,利用慢烤燃法研究了共聚型含氟GAP基热塑性弹性体/铝粉的热分解特性,结果证实共聚型含氟GAP基热塑性弹性体/铝粉烤燃响应温度达到301 ℃,热分解反应可释放更多热量。
2021, 29(10):920-927. DOI: 10.11943/CJEM2021148
摘要:为了获得具有燃烧增压效应的金属合金复合燃料,通过真空悬浮熔炼、超高温气雾化法、机械合金化等方法联用制备了Al/Mo/PMF(氟化石墨)复合粉末。用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重-差热分析(TG/DTA)等表征手段分析复合粉末的物相、颗粒形貌、热性能,用氧弹量热仪、定容等热燃烧实验测试复合粉末的燃烧焓及增压性能。结果表明,经机械球磨后,PMF在复合粉末颗粒中分布均匀,有助于提高粉末的热反应活性,起始反应温度前移,且由燃烧产生的低沸点AlF3、MoO3等产物造成的额外增压效应较为明显,Al/Mo/PMF 64/16/20复合粉末燃烧产生的额外增压比纯Al粉高4.49%。但随着PMF含量增加,复合粉末的燃烧焓及燃烧完全程度有所降低,Al/Mo/PMF 76/19/5复合粉末的实测燃烧焓为22541.8 J∙g-1,而Al/Mo/PMF 64/16/20复合粉末的实测燃烧焓为16788.5 J∙g-1。当PMF含量为5%时,既能保证复合粉末的燃烧完全,又能兼顾到气态产物的额外增压,其对应最大压力值为3.430 MPa。同时还研究了Al/Mo/PMF 76/19/5复合粉末的氧化过程及机理。
李建新 , 赵婉君 , 闫石 , 乐威 , 马晓航 , 刘大志 , 焦清介
2021, 29(10):888-896. DOI: 10.11943/CJEM2021197
摘要:为研究镁(Mg)含量对系列离心雾化铝镁(Al-Mg)合金粉性能的影响,选用不同Al与Mg质量投料比(70∶30、50∶50、30∶70)的离心雾化Al-Mg合金粉(Al-Mg30、Al-Mg50、Al-Mg70),采用粒度分布仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)和热重分析-差示扫描量热法(TG-DSC)对合金粉进行粒度、形貌、物相和动力学研究。同时在71 ℃热氧化作用下,研究不同Mg含量对合金活性的影响。结果表明,3种Al-Mg合金粉粒度分布均匀,形貌规整,具有良好的球形度。Al-Mg30,Al-Mg50合金粉都为枝晶组织,Al-Mg70是由α固溶体和枝状析出相组成;Al-Mg合金粉物相主要是α-Al,β-Al3Mg2和γ-Al12Mg17,且随着Mg含量的增加,合金化合物中β-Al3Mg2相逐渐减少,γ-Al12Mg17相逐渐增多,失活率逐渐增高,且所有Al-Mg合金粉失活率在48 h以后基本保持不变。TG-DSC结果表明,随着Mg含量的增加,合金粉的初始放热温度逐渐减小,活化能也逐渐减小,反应速率逐渐加快,3种Al-Mg合金增重比例均大于相同粒径的Mg粉(53.02%)和Al粉(8.65%)。激光点火结果表明,3种Al-Mg合金粉点火延迟时间远短于单质Al,且在燃烧过程中存在微爆现象,可显著缩短燃烧时间,且随着Mg含量增加,燃烧时间逐渐变短。
姜菡雨 , 姚二岗 , 张建侃 , 徐司雨 , 裴庆 , 胥会祥 , 赵凤起
2021, 29(10):914-919. DOI: 10.11943/CJEM2021077
摘要:金属燃料添加剂在黏合剂中的分散特性将极大影响火炸药的工艺性能。以两种不同形貌(球形和片状)的新型亚稳态分子间复合物铝/聚偏氟乙烯(QAlPV和PAlPV)为对象,利用RS-300流变仪,系统研究了端羟基聚丁二烯(HTPB)、聚叠氮缩水甘油醚(GAP)和环氧乙烷四氢呋喃共聚醚(PET)典型黏合剂与两种铝基复合物形成的混合体系的流变性能。结果表明,悬浮液体系均表现出假塑性流体特征,在20~60 ℃内,随温度增加,表观黏度均减小。在GAP和PET体系中,含PAlPV混合体系的流动活化能均大于含QAlPV混合体系,说明片状结构的铝基复合物与这两种黏合剂形成的混合体系的刚性较大,其表观黏度对温度更敏感。因此,可通过提高温度来改善PAlPV在黏合剂中的分散性;而QAlPV与GAP、PET形成混合体系的柔性较大,可通过提高剪切速率来改善其分散性和均匀性。
王敬凯 , 陈捷 , 刘帅 , 睢贺良 , 索志荣 , 银颖
2021, 29(10):904-913. DOI: 10.11943/CJEM2020323
摘要:为直观地研究金属铝核/氧化层的界面结构,以聚焦离子束微纳加工技术为基础,成功建立了2~8 µm铝粉颗粒的切片方法。对于尺寸2~8 µm的铝粉颗粒,可通过结合聚焦离子束(FIB)直接切割与剖面减薄获得切片。所制备的切片样品的界面结构清晰完整,氧化层未被破坏;通过进一步联用扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、能谱线扫描及元素面分布等多种表征手段,获得了不同老化条件下铝颗粒“核-壳”界面的微观结构、结晶性和元素分布等信息。发现铝颗粒表面氧化层中Al和O元素的化学计量比偏离于标准Al2O3,呈现梯度分布特征;定量地获得了铝颗粒氧化层厚度与老化温度之间的正相关关系,未经热老化样品的氧化层厚度约5.4 nm,75 ℃和95 ℃老化样品的氧化层厚度分别增加至(34.1±2.1) nm和(51.3±2.2) nm。
李廷润 , 郭春雨 , 包淑霞 , 赵洋洋 , 杜振国 , 吴瑞凤
2021, 29(10):897-903. DOI: 10.11943/CJEM2021180
摘要:金属铝粉具有活性高、耗氧量低、燃烧焓高和密度大等优良性能,广泛应用于提高火炸药和固体推进剂能量特性的研究中。过渡金属Cu对铝粉的燃烧具有良好的催化作用,可以使铝粉燃烧更充分。端羟基聚丁二烯(HTPB)作为固体推进剂黏合剂组分,均匀地包覆在铝基复合粒子表面,可有效地阻止表面氧化和团聚,且有利于药柱压装固化成型。以乙酰丙酮铜为铜源,甲醛和肼为还原剂,采用一锅法液相还原制备HTPB/Cu/μAl复合粒子。通过IR、XRD、SEM和EDS对样品的结构和形貌进行表征,同时研究了HTPB/Cu/μAl对AP热分解的催化行为。结果表明,还原出来的Cu以粒子形式散落在铝粉表面,HTPB则均匀包覆在Cu/μAl的表面。HTPB/Cu/μAl的DSC曲线在150~350 ℃范围内同时出现过渡金属Cu的氧化放热峰和HTPB的分解放热峰,但包覆对微米铝粉在550 ℃的氧化放热峰基本没有影响。HTPB/Cu/μAl的平均活化能为287.2 kJ·mol-1,相比于μAl平均活化能(323.55 kJ·mol-1)降低了36.35 kJ·mol-1。加入HTPB/Cu/μAl复合材料后,AP的高温和低温分解峰均发生变化,其中高温热分解温度较纯AP降低了127 ℃,表明HTPB/Cu/μAl复合材料可促进AP的热分解行为。
2021, 29(9):871-882. DOI: 10.11943/CJEM2020311
摘要:直写技术(direct writing)作为新一代快速成型技术,具有成型速度快、成型一致性好、制备精度高等优点,在微机电(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)含能器件的制备上具有一定优势。本文阐述了MEMS含能器件常用的直写技术,在此基础上,针对直写技术在微纳含能器件中的研究现状,对MEMS装药、发火电路与换能元以及封装材料的直写技术进行了总结。提出了今后的研究重点:制备固含量高、性能稳定的含能墨水,提高含能墨水装药密度;制备低烧结温度的银油墨电路,同时发展MEMS含能器件换能元与封装材料的直写技术,探究直写精度的影响因素与规律,突破直写技术的应用瓶颈,推动MEMS含能器件的工程化应用进度。
2021, 29(9):855-870. DOI: 10.11943/CJEM2020322
摘要:共晶是指不同种类的中性组分在分子间非共价键的作用下形成的具有固定比例与特殊结构的晶体,属于超分子领域范畴。共晶技术是一种新型的含能材料改性方法手段,具有广阔的发展前景与应用价值。共晶可以降低含能材料的感度,提高安全性,改善力学性能、热性能与能量密度。综述了含能共晶制备及应用研究进展,其中包括共晶炸药国内外研究现状、制备方法、表征方法、形成机理。介绍了含能共晶面临的问题:部分共晶炸药性能有待进一步改善;共晶炸药制备条件苛刻,产率低;共晶炸药的测试表征手段较为单一。指出了今后研究的重点方向为:加强多组分含能共晶的研究;改善共晶炸药制备工艺,提高产量;研究共晶的结晶动力学行为,寻求共晶的最佳结晶条件以及寻找良好的表征共晶结构的方法手段。
2021, 29(9):798-802. DOI: 10.11943/CJEM2021001
摘要:利用3,4-双(3′-氨基呋咱-4′-基)呋咱(BATF)和2,2-二甲基-5-硝基-5-亚硝基-1,3-二氧环己烷(DMNNDO)为原料,经氧化偶联、水解、溴化、还原和硝化五步反应首次合成新型含能化合物3,3′-双(二硝甲基-ONN-氧化偶氮基)三呋咱(BDNAF),通过红外(IR)、核磁(NMR)和元素分析(EA)对中间体和目标化合物进行结构表征。利用差示扫描量热法(DSC)研究了中间体3,3′-双(单硝甲基-ONN-氧化偶氮基)三呋咱(BNAAF)和目标化合物BDNAF的热行为;采用Gaussian 09程序和Explo 5(v. 6.04)预估了BNAAF和BDNAF的物化及爆轰性能。结果表明:BNAAF没有熔点,热分解峰温为106.4 ℃,理论密度为1.82 g·cm-3,爆速为8298 m·s-1,爆压为29.0 GPa;BDNAF的熔点为95.4 ℃,第一分解峰温为170.5 ℃,理论密度为1.91 g·cm-3,爆速为9005 m·s-1,爆压为35.9 GPa,可作为一种新型熔铸炸药。
万磊 , 张骋昊 , 顾晗 , 胡启鹏 , 阮建 , 应三九
2021, 29(9):803-810. DOI: 10.11943/CJEM2021074
摘要:为了研究超临界二氧化碳(SC-CO2)的注气量、醇酮溶剂比、加工温度、螺杆转速等工艺条件对SC-CO2辅助发射药代料醋酸纤维素(CA)挤出过程中物料流动性与制品冲击强度的影响,采用在线狭缝流变仪、落锤冲击试验机、扫描电镜等实验方法,对不同的工艺条件下挤出过程中的物料流动性、制品的冲击强度及内部形貌进行了表征。研究结果表明:随着SC-CO2注气量的增加,物料的挤出流动性得到有效改善,但制品的冲击强度出现了降低:在温度为50 ℃,SC-CO2/CA注气质量比为0.173%时,螺杆转速为10 r·min-1时,注气制品的冲击强度(6.32 kJ·m-2)仅占同条件未注气下冲击强度(11.90 kJ·m-2)的53.11%;提高螺杆转速可改善制品的冲击强度和制品形貌,螺杆转速为14 r·min-1时制得的制品冲击强度(7.12 kJ·m-2)是螺杆转速为6 r·min-1时制品冲击强度(4.18 kJ·m-2)的170.33%;制品断裂截面处的扫描电镜结果显示,SC-CO2辅助挤出的制品中存在较多的泡孔:在温度为50 ℃,SC-CO2/CA注气质量比由0.173%提高到0.347%时,制品内部的泡孔尺寸均大于2 μm,部分甚至达到15~25 μm。在SC-CO2辅助发射药代料挤出过程中,提高SC-CO2的注气量、醇酮溶剂比、加工温度、螺杆转速均能改善物料的流动性,提高螺杆转速能改善制品的冲击强度。
2021, 29(9):790-797. DOI: 10.11943/CJEM2020226
摘要:通过溶液共晶法制备得六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)与二硝基二氮杂戊烷(DMMD)的共晶炸药CL-20/DMMD。采用X射线单晶衍射(SCXRD)、扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射(PXRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、差式扫描量热法(DSC)对其进行测试及表征。结果表明该晶体为单斜晶系,P21/c空间群,分子间以氢键为主要作用力并形成层状结构。PXRD表明CL-20与DMMD之间有新的晶相生成,FT-IR表明CL-20/DMMD部分衍射峰发生偏移的原因是产生了氢键作用。DSC显示CL-20/DMMD共晶熔点为180.8 ℃,比CL-20和DMMD的熔点分别提高了21.5 ℃和120.9 ℃;其主要热分解峰为240.1 ℃,比CL-20增加了3.5 ℃。根据Rothstein和Petersen理论预测爆速和爆压分别是9255 m·s-1和41.08 GPa,较CL-20的爆速9386 m·s-1,爆压45.09 GPa均略微下降,较DMMD的爆速7287 m·s-1,爆压21.79 GPa、奥克托今(HMX)的爆速9048 m·s-1,爆压40.55 GPa、黑索今(RDX)的爆速8945 m·s-1,爆压37.28 GPa、梯恩梯(TNT)的爆速7042 m·s-1,爆压21.44 GPa有所提高。
2021, 29(9):811-818. DOI: 10.11943/CJEM2020266
摘要:为了提高高氯酸铵(AP)的热分解性能,采用蒸发诱导自组装的方法制备了Cu1/Al2O3单原子催化剂。采用X射线粉末衍射(XRD)、电感耦合等离子发射光谱(ICP-OES)、透射电镜(TEM)、X射线吸收光谱(XAS)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂形貌和结构进行了表征,并利用差示扫描量热法(DSC)和热重分析法(TG)研究了其对AP热分解性能的影响。结果表明,活性金属铜以Cu—O键形式稳定在载体表面,呈现均匀的单原子分散状态,Cu负载量高达8.7%质量分数;当Cu1/Al2O3单原子催化剂用量为质量分数5%时,AP的高温分解峰温为319 ℃,与纯AP相比提前了85 ℃,催化效果明显优于前驱体Cu(NO3)2·3H2O以及常见的nano-CuO催化剂,表明Cu1/Al2O3单原子催化剂对AP的热分解具有优异的催化作用。
巨荣辉 , 罗一鸣 , 王晓峰 , 蒋秋黎 , 张蒙蒙 , 周彦水 , 毕福强
2021, 29(9):781-789. DOI: 10.11943/CJEM2020234
摘要:为了研究熔铸炸药3,3′-联(1,2,4-噁二唑)-5,5′-二甲硝酸酯(BOM)的性能,采用熔铸工艺制备了熔铸试样,测试了熔铸试样的爆速;通过热分解和恒温试验研究了BOM的熔铸工艺热安全性,采用宏观凝固成型和微观凝固结晶试验研究了BOM的凝固性能,采用抗压和抗拉试验研究了BOM铸件的力学性能;通过爆轰性能计算研究了BOM/HMX/Al熔铸炸药体系的爆速和爆热性能。结果表明,BOM自然凝固成型密度为1.726 g·cm-3,实测爆速为7679 m·s-1。BOM分解峰温为213.8 ℃,计算热爆炸临界温度为190.7 ℃,恒温加热未见变色发烟,显示良好的熔铸工艺热安全性。BOM凝固缺陷集中于铸件顶部补缩区,自然凝固体积收缩率15.7%,成型密度为理论密度的94.7%,凝固成型性能良好。铸件抗压强度6.21 MPa,抗拉强度1.89 MPa。在BOM/HMX/Al熔铸炸药体系中,爆速随着Al含量的增加线性降低。Al含量低于24%时,爆热随着Al含量的增加逐步提高。Al含量大于24%时,爆热与配方中BOM和HMX的配比相关,可调节体系中BOM与HMX的配比以满足配方最佳的铝氧比。
王荦荦 , 翟连杰 , 杨晓哲 , 霍欢 , 常海 , 刘宁
2021, 29(8):771-780. DOI: 10.11943/CJEM2021057
摘要:二氯乙二肟是一种高效的工业杀菌剂,也是构建氮杂环骨架的重要原材料,可合成多种性能优异高氮含能材料。本文主要介绍了氯气法、N-氯代琥珀酰亚胺(NCS)/二甲基甲酰胺(DMF)法以及NCS/DMF改进法等3种二氯乙二肟的合成方法,并比较了它们优缺点。系统阐述了基于二氯乙二肟的反应特性构建异噁唑、呋咱、氧化呋咱、双四唑以及噁二唑酮等氮杂环中间体的方法,同时,综述了相关含能材料的物化与爆轰性能。利用二氯乙二肟作为原料,有望设计、合成性能优异的新型含能材料,全面推动含能材料自主创新能力的提升。
张倩 , 刘宁 , 马玲 , 段秉蕙 , 卢先明 , 王伯周
2021, 29(8):705-712. DOI: 10.11943/CJEM2021042
摘要:为研究耐热炸药2,4,8,10-四硝基-苯基吡啶基-1,3a,6,6a-四氮杂戊搭烯(NBTTP)的合成工艺及热性能,以苯并三氮唑和2-氯-3-硝基吡啶为原料,通过取代、环化和硝化三步反应合成出了耐热炸药NBTTP。采用红外光谱(FTIR)、核磁共振(NMR)对产物进行了结构表征,并对环化反应进行了工艺条件优化;采用差示扫描量热仪和热失重分析仪对NBTTP的热分解及热失重历程、热分解动力学及相关热爆炸参数进行了研究。结果表明:当亚磷酸三乙酯与1-(3-硝基-2-吡啶)-1H-苯并三唑(BTP)的投料比为3∶1时,环化反应收率最高(83.44%);NBTTP仅存在一个剧烈的放热阶段,该放热阶段的起始分解温度为388.79 ℃,分解峰温在406.23 ℃;NBTTP的热分解反应动力学方程为dα/dt=(6.36×1014/β)(1-α)exp[-2.34×105/(RT)],热分解反应的活化熵、活化焓及活化自由能分别为23.60 J·mol-1·K-1、228.97 kJ·mol-1和213.46 kJ·mol-1;自加速分解温度TSADT为655.11 K。
张珣 , 陈鹏 , 胡璐 , 屈满意 , 孙成辉 , 何春林 , 庞思平
2021, 29(8):759-770. DOI: 10.11943/CJEM2021137
摘要:偕二硝基基团有高密度和高氧含量的特点,是设计合成新型高能量密度含能化合物的重要结构单元之一。在氮杂环骨架中引入具有平面结构的偕二硝基阴离子利于形成共轭结构,从而有效提高含能化合物的密度、氧平衡以及爆轰性能。本文通过系统总结对含肟类或活泼亚甲基前体进行硝化制备偕二硝含能盐的合成方法,发现采用N2O4或N2O5硝化方法普适性好,但存在产率较低,硝化中间体难以分离等不足,而混酸硝化方法通常具有较高的产率且反应条件温和,但构建含活泼亚甲基前体需要采用新的策略。同时对部分性能优良的偕二硝基含能盐的含能特性进行了讨论,希望本综述能为新型偕二硝基类高能钝感含能材料的设计与合成提供借鉴和参考。
董文帅 , 曹文丽 , 毕玉帆 , 胡勇 , 王霆威 , 张建国
2021, 29(8):726-731. DOI: 10.11943/CJEM2021119
摘要:为了获得性能优良的含能材料,以4-氯吡唑为原料,经硝化、水解、酸化及成盐反应合成了一种新型含能离子盐4-羟基-3,5-二硝基吡唑胍盐(DNPOG),采用红外光谱、核磁共振分析及元素分析对其结构进行了表征,培养得到了DNPOG单晶,晶体结构为三斜晶系,空间群为P-1,相对分子质量Mr=233.17 g·cm-1,晶胞参数a=4.8958(5) Å,b=8.1933(8) Å,c=11.9669(11) Å,Z=2,晶体密度Dc=1.750 g·cm-3;计算研究了DNPOG晶体中的氢键及π-π共轭作用对其分子间相互作用力的贡献,其氢键占比为47%;采用差式扫描量热仪(DSC)和热失重仪(TG)研究了其热分解特性,其第一分解峰温为212.5 ℃;研究了DNPOG爆轰与安全性能,爆速7871 m·s-1、爆压23.8 GPa、生成焓为-160.2 kJ·mol-1、撞击感度20 J、摩擦感度240 N。研究结果表明,DNPOG为层状堆积,热稳定性较好、感度较低,是一种性能优良的低感炸药。
2021, 29(8):739-758. DOI: 10.11943/CJEM2021032
摘要:偶氮键不仅是一种桥连基团,通常还能提高富氮杂环含能化合物的密度和生成焓,因此,通过这种桥连方式来构筑新型含能材料已逐渐成为该领域的研究热点。本研究围绕唑类和嗪类两大类底物,从C—NH2和N—NH2氧化偶联两个方面,综述了近二十年来偶氮桥连富氮杂环含能化合物的制备方法、理化性质和爆轰性质等,为该类化合物后续的研究和发展提供一定的参考。
2021, 29(8):732-738. DOI: 10.11943/CJEM2021092
摘要:以1,4-丁二酸二酰肼为原料,采用“MNNG合环法”一锅直接合成了1,2-二(3,3′-二硝氨基-1H-1,2,4-三唑-5-基)乙烷一水合物(
2021, 29(8):700-704. DOI: 10.11943/CJEM2020289
摘要:以4,5-二氰基-2-氨基咪唑为原料,经过肟化,氯代,重氮化,硝化三步反应生成4,5-双(氯二硝基甲基)-2-重氮咪唑,采用 X-射线单晶衍射分析、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振谱(1H NMR、13C NMR)高分辨质谱(HRMS)对其结构进行表征;通过差示扫描量热仪和热重分析仪研究其热性能;通过Gaussian09和EXPLO5 v6.01对其结构优化和性能预估。结果表明,4,5-双(氯二硝基甲基)-2-重氮咪唑的晶体属于三斜晶系,为P1空间群,晶胞参数为a=6.6196(10) Å,b=8.1685(13) Å,c=13.0272(19) Å,V=666.96(18) Å3,α=100.166(4)°,β=102.560(4)°,γ=97.153(5)°,Z=2,F(000)=368;Dc=1.848 g·cm-3。其热分解温度为122.14 ℃,预估爆速为 8574 m·s-1,预估爆压为32.8 GPa,按BAM标准方法测试感度,其撞击感度为4 J,摩擦感度为100 N。
翟连杰 , 常佩 , 许诚 , 张义迎 , 王彬 , 李普瑞 , 王伯周
2021, 29(8):694-699. DOI: 10.11943/CJEM2021048
摘要:以3,4-二氰基氧化呋咱为原料,利用氰基的多步官能团转化合成了联三氧化呋咱含能化合物3,4-二(3-氰基氧化呋咱基)氧化呋咱(BCTFO)。利用红外光谱、核磁共振、元素分析对产物结构进行了表征,结合GIAO法理论模拟,完成了13C NMR和15N NMR谱的归属研究。首次培养了适合单晶X-射线衍射分析的BCTFO单晶,测试结果发现BCTFO属于单斜晶系,空间群为C2/c,a=19.742(4) Å,b=8.851(2) Å,c=29.275(7) Å,V=4951.3(19) Å3,Z=8,ρ=1.75 g∙cm-3,F(000)=2600,S=1.043,R1=0.0491,wR2=0.1375。基于实测密度(ρ=1.76 g∙cm-3)和预估生成焓(ΔfH(s)=806.7 kJ∙mol-1),利用Explo5(V6.04)软件预估BCTFO的爆速(D)和爆压(P)分别为8086 m·s-1和27.3 GPa。采用差示扫描量热仪(DSC)和热重分析仪(TG)研究了BCTFO的热分解过程,其热分解峰温为235.4 ℃。按 BAM 标准方法测试BCTFO的感度,其撞击感度为16 J,摩擦感度为330 N。
2021, 29(8):721-725. DOI: 10.11943/CJEM2020321
摘要:为了合成平面型的高能钝感富氮类含能化合物,以6-(3,5-二甲基吡唑)-[1,2,4]三唑[4,3-b][1,2,4,5]四嗪(
伍波 , 蒋绣俄 , 胡平 , 杜慧英 , 刘芮楷 , 高瞻宇
2021, 29(8):713-720. DOI: 10.11943/CJEM2021113
摘要:以3,5-二硝基-4-溴吡唑(
曹仕瑾 , 李忠友 , 熊伟强 , 王鹏 , 张天福 , 程迪 , 高扬
2021, 29(7):650-657. DOI: 10.11943/CJEM2020270
摘要:为提高HMX-Al基混合炸药的能量和低易损性能,通过分析计算Al含量、奥克托今(HMX)含量对炸药爆轰性能的影响规律,确定了高固含量含铝PBX(polymer bonded explosive)炸药设计依据,在此基础上通过三级颗粒级配优化、固化体系筛选及降感剂、工艺助剂的选择应用,制备了固相含量90%(HMX/Al=75/15)的端羟基聚丁二烯(HTPB)/异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)黏结体系浇注固化炸药GOL-42,炸药工艺及安全性能优良。按照GJB772A等方法对GOL-42炸药进行了爆轰能量、低易损性、力学性能、热性能及加速贮存性能测试,结果表明:该炸药实测密度1.782 g·cm-3、爆速8251 m·s-1、爆压26.9 GPa,Φ25 mm圆筒试验格尼系数2.76 mm·μs-1,在快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击试验中响应程度均为低反应等级的燃烧反应,炸药综合性能优良,预估贮存寿命20年以上,是一种长寿命低易损浇注炸药。
2021, 29(7):658-666. DOI: 10.11943/CJEM2020318
摘要:高效液相色谱(HPLC)具有灵敏度高、重现性好、分析效率高、自动化程度高等优势,是材料研发过程中纯度分析、质量检测的重要手段之一。四硝基苯并-1,3a,6,6a-四氮杂戊搭烯并吡啶(BPTAP)作为近年来广受关注的一种新型耐热炸药,目前尚缺乏相应的HPLC分析方法。本研究考察并优化了BPTAP的色谱分离条件,建立了基于HPLC的BPTAP纯度分析方法。该方法基于Plus C18色谱柱(4.6×150 mm,5.0 µm),以乙腈-水混合液(含0.1 mg·mL-1乙酸铵)为流动相,采用梯度洗脱模式,检测波长为230 nm。该分析方法下,BPTAP的保留时间为9.13 min,各峰分离度均大于1.90,分离效果良好。进一步对该方法进行验证,BPTAP在0.5~200 µg·mL-1范围内呈良好的线性关系,相关系数R2为0.9997,检测限和定量限分别为0.02 µg·mL-1和0.07 µg·mL-1,并具有良好的精密度、稳定性和耐用性。此外,还将该方法用于BPTAP重结晶过程的纯度检测,结果表明本方法在BPTAP研制过程的含量分析与质量控制中具有良好的应用前景。
叶胜 , 毛亮 , 胡榕 , 蔡尚晔 , 姜春兰 , 卢士伟
2021, 29(7):625-633. DOI: 10.11943/CJEM2021015
摘要:为了获得采用不同铝(Al)粒径制备而成的聚四氟乙烯/铝(PTFE/Al)活性药型罩作用双层间隔靶的毁伤威力特性,采用模压烧结成型法制备了5种不同Al粒径(10,30,70,200 μm,50/70 μm)的PTFE/Al活性药型罩,并开展了相应的静爆威力实验。研究结果表明:随着Al粒径从10 μm增加到200 μm时,活性射流对钢靶和铝靶的破孔面积、等效破裂孔直径、破孔隆起高度以及形成的破坏区域体积均呈现减小趋势,当Al粒径为10 μm时破坏钢靶的毁伤参量为SSteel=0.4 CD(装药直径)、hAl=0.48 CD、VSteel=420 cm3,破坏铝靶的毁伤参量为SAl=3.8 CD、hAl=1.72 CD、VAl=2280 cm3。采用50 nm/70 μm级配Al粒径的PTFE / Al活性射流对钢靶的穿孔效果显著提高,等效破裂孔直径dSteel=0.59 CD。结合实验相关数据拟合得到了活性射流对后效铝靶的爆裂毁伤效应分析模型。
2021, 29(7):680-686. DOI: 10.11943/CJEM2020285
摘要:21世纪初,ResoDyn声共振混合器公司首次开发出了声共振混合(RAM)技术。这项技术利用声波在一种材料中形成多个微混合区,而不是传统的叶轮或转子搅拌或行星混合器产生的大混合区。这种技术可用于制药、化妆品和散装粉末混合的大规模生产,与传统的高剪切含能材料加工方法(如行星混合)相比,RAM具有潜在的优势,其优点包括更短的混合时间、改善混合均匀性、减少废物输出、没有运动部件(点火源)以及混合高粘度、难混合成分的可能性(与行星混合器相比)。RAM已成为研发和生产推进剂、炸药、烟火剂的首选加工技术。从RAM原理角度出发,介绍了RAM技术在共晶炸药、纳米铝热剂制备中及其在固体推进剂和高聚物粘结炸药(PBX)加工中的应用。
闫峥峰 , 汪营磊 , 陆婷婷 , 赵宝东 , 陈斌 , 葛忠学
2021, 29(6):509-514. DOI: 10.11943/CJEM2020063
摘要:为研究4-氨基-唑并[5,1-c] 1,2,4-三嗪化合物的合成机理与性能,以TTX为例,采用密度泛函理论(DFT)研究了1,2,4-三唑并[5,1-c]1,2,4-三嗪类稠环可能的环化机理,研究了体系pH值对环化过程的影响;采用差示扫描量热法研究了TTX的热性能、热分解动力学,并采用BAM撞击感度测试仪测试了TTX的撞击感度。结果表明:5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑(ANTA)的重氮盐与硝基乙腈钠盐偶合中间体的类吡咯氮原子对氰基亲核加成,然后通过芳构化重排得到1,2,4-三唑并[5,1-c]1,2,4-三嗪;TTX的热分解峰温为281.8 ℃,表观活化能为356.7 kJ·mol-1,高于TATB;撞击感度为60 J,低于RDX。同时研究了TTX与HMX、RDX、Al粉、硝化棉(NC)的相容性,结果表明TTX与Al相容,与HMX有一定相互作用,轻微敏感;RDX、NC会明显促进TTX热分解,混合体系较为敏感,应避免混合使用。
姜鑫 , 刘珣 , 张峥 , 马欢松 , 赵倩云 , 吴远军 , 赵彩云
2021, 29(6):552-556. DOI: 10.11943/CJEM2020296
摘要:为筛选最佳治理技术以解决火炸药行业TNT红水污染土壤问题,研发了高温烧结资源化修复技术。将污染土壤与粘土按体积比(4∶6)混配后在隧道窑烘干段利用焙烧余热烘干26 h,再进入焙烧段焙烧24 h,烧结温度1100 ℃左右。隧道窑烟气经脱硫脱硝设施处理后由43 m排气筒排入大气。成品砖出窑后自然降温。土壤中的特征污染物-二硝基甲苯磺酸盐完全氧化分解,烧结烟气达标排放,资源化产品符合建材砖的质量标准且无特征污染物残留,满足土壤修复目标值(二硝基甲苯磺酸钠含量100 mg·kg-1)的要求。工程应用证明了高温烧结资源化技术修复TNT红水污染土壤的可行性和有效性。
2021, 29(6):473-481. DOI: 10.11943/CJEM2020277
摘要:五唑离子化合物是当前新型含能材料的一个研究热点,其制备通常以五唑共价化合物为前体实现。多数情况下,五唑共价化合物的稳定性对能否成功制备五唑离子化合物有很大影响。采用密度泛函理论B3LYP/6-31G**方法重点研究了18个直链取代五唑共价化合物(R—N5或N5—R—N5)的侧链化学键的解离能EBD和N5环的分解能垒Ea,分析了侧链对其稳定性和热解机理的影响。发现当R为羟基或氨基时,侧链容易断裂,N5环也容易破裂,难以得到N5-;当R为烷基时,N5环裂解的Ea相对较大,更可能得到N5-,且侧链C—N键和N5环的稳定性受烷基链长短影响不大;在双环分子中,两个N5环的裂解是先后发生的,后一个环的裂解能垒比前者高,裂解生成氮气和叠氮化物;分子侧链上的C—C键会先于C—N键断裂,从而可能使C—N键的EBD明显降低而对N5环的Ea影响不大,因此,在由五唑共价化合物制备五唑盐的过程中,先切断C—C键可能更利于得到N5-。
2021, 29(6):521-529. DOI: 10.11943/CJEM2021023
摘要:为了进一步提高含能材料等静压成型的致密度,提出了一种超声辅助的等静压成型方法,设计了试验样机。利用COMSOL对单个超声振子和整个超声辅助成型系统激发的声场进行了分析,研究了包套厚度、10 MPa预压力和超声电源电压幅值对声场分布的影响。仿真结果表明了超声辅助等静压成型的可行性。在有无施加超声、有无10 MPa预压力的条件下进行了高聚物粘结炸药代用材料的成型实验,利用计算机断层扫描和扫描电镜分别对实验样件进行了测试分析,结果表明:施加了超声和10 MPa预压力的材料内部的均匀性和致密度优于未加超声、未加预压力和仅施加超声的材料,并且其内部晶粒更细、分布更均匀。
2021, 29(6):567-578. DOI: 10.11943/CJEM2020228
摘要:富氮稠环类氮氧化物由于其平面共轭的分子骨架结构和共价氮氧键官能团,通常具有密度高、爆轰性能优异及感度适中等优点,因此,这类化合物已逐渐成为含能材料领域的研究热点。本研究综述了近十年来合成的20种富氮稠环类氮氧化物的分子结构、合成方法及理化性能等,比较了富氮稠环分子氮氧化前后的主要理化性能参数,为其合成及性能研究提供一定的参考。
张军 , 吴家祥 , 任鑫鑫 , 姚淼 , 武双章 , 黄骏逸 , 李裕春
2021, 29(5):428-433. DOI: 10.11943/CJEM2020197
摘要:为了研究ZrH2对Al/PTFE反应材料力学响应与毁伤性能的影响,采用冷压烧结工艺制备了Al/ZrH2/PTFE、Al/PTFE和纯PTFE三种材料的圆柱体与药型罩试件,通过准静态压缩、落锤冲击和高速撞靶实验,对三种材料的力学性能、撞击感度与撞靶毁伤效能进行了对比研究。实验结果表明:三种PTFE基材料均为弹塑性材料,都存在应变硬化效应,质量分数为10%的ZrH2能提高Al/PTFE反应材料的力学强度,使其屈服强度与失效应力分别达到22.2 Mpa与93.3 Mpa,也可降低材料撞击感度,使其点火激发能增加1.93 J,并通过活化分解参与反应保证材料能量释放水平不受影响。两种含能药型罩在撞靶过程中能发生撞击释能反应,产生穿/扩孔综合效应,形成花瓣式外翻的穿孔形式,与惰性毁伤元相比,反应材料的撞击-反应双重毁伤效应能大幅提升其扩孔能力,在Al/PTFE反应材料中引入适量添加剂ZrH2,能进一步增强材料的撞靶毁伤效能。
2021, 29(5):460-470. DOI: 10.11943/CJEM2020279
摘要:金属氧化物是由金属阳离子和氧阴离子通过离子键合排布成不同晶体结构的一类离子型化合物。部分金属氧化物的 d 壳没有被完全填充,使它们具有各种独特的性能,如宽的能带间隙、高的介电常数、活跃的电子转移能力以及优异的导电性等,因此在催化领域得到了广泛应用。本文介绍了单一金属氧化物、复合金属氧化物、掺杂金属氧化物和负载型金属氧化物四类半导体材料催化高氯酸铵热分解的研究现状,探讨了催化机理和影响催化效果的因素,分析得出P型金属氧化物半导体材料的禁带宽度越小,费米能级降低,逸出能越大,催化作用明显;对于N型来说,禁带宽度越大,费米能级升高,逸出能越小,催化效果越好。为了充分利用金属氧化物的优点克服其缺陷,常在金属氧化物中引入杂元素形成离子晶格缺陷和制造新的局部杂质能级以改变电子的跃迁,从而提高金属氧化物的催化性能。不论是复合金属氧化物,还是负载型金属氧化物,均存在对高氯酸铵的正协同催化效应。开发禁带宽度小的多孔纳米管P型金属氧化物、掺杂型金属氧化物和负载型金属氧化物材料仍是人们关注的重点。探索以高氯酸铵为基的核壳型复合材料、P-N结金属氧化物半导体催化材料以及探究载流子在两种半导体P-N界面间的迁移规律,有望成为提高催化效率的新途径。
2021, 29(4):345-351. DOI: 10.11943/CJEM2020076
摘要:为了研究常用组分黑索今、铝粉、高氯酸铵、聚3,3-二(硝酸酯基甲基)氧丁环(PBNMO)对2,4-二硝基苯甲醚微观凝固过程和宏观性能影响规律,从微观结构角度设计、改进2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药配方组成以解决宏观性能的不足,在光学显微镜下观测了含不同添加物的薄层DNAN样品动态结晶过程及起始凝固温度的变化;根据结晶距离及时间计算了不同样品的晶体生长线速度;通过对Φ20 mm药柱的外观形貌及药柱相对密度研究了添加物对样品成型性的影响规律;测试了Φ20 mm×20 mm药柱的抗拉、抗压性能,研究了不同添加物对样品力学性能影响。结果表明,黑索今、铝粉、高氯酸铵、PBNMO可改善DNAN凝固过程中晶体形态、DNAN起始凝固温度影响因添加物的不同而不同、降低DNAN凝固线速率、提高药柱相对密度;聚合物的加入使得样品抗拉强度、抗压强度显著提高,力学各向异性得到改善;多种添加物共同作用使得DNAN的成型性得到改善,抗拉强度达到6 MPa以上。表明,在黑索今、铝粉、高氯酸铵、PBNMO的协同作用下,可获得微观结晶细密、缺陷少、力学性能较佳的DNAN基混合炸药样品。
王家伦 , 张洪宝 , 刘春竹 , 李航 , 孟子晖 , 薛敏
2021, 29(4):285-292. DOI: 10.11943/CJEM2020313
摘要:六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)的粒度和形貌对其感度、安全性以及填药密度有重要的影响。研究通过控制和优化重结晶工艺条件,分别探索超声辅助重结晶法和反溶剂法中不同因素以及搅拌器类型对CL-20晶体粒度的影响。在超声辅助重结晶法中,考察了超声连续震动和间歇震动频率以及不同超声频率(20~40 kHz)对生产小粒经产品的影响;在反溶剂法中,以乙酸乙酯和三氯甲烷为良溶剂和不良溶剂,考察了三氯甲烷滴加速度(20、50、100 mL·h-1)、三氯甲烷与乙酸乙酯滴加量比例(1∶1、1∶2、1∶3),重结晶时间(24、48、72 h)以及重结晶温度(30、40、50 ℃)对大粒径产品的影响。通过设计正交试验,确定了最优条件;在对搅拌器对产品影响的研究中,选择了四直叶开启涡轮式、六直叶涡轮式和双层分散盘三种搅拌器类型以及相应的多种转速对产品的粒度和形貌的影响。结果表明,间歇超声辅助重结晶可显著减小晶体粒度,采用频率40 kHz,每震动30 min,停5 min的超声方式,可以获得平均粒度为14 μm的CL-20颗粒;反溶剂法控制粒径的研究中,结晶时间72 h、结晶温度30 ℃、三氯甲烷滴加速度为20 mL·h-1、滴加量为150 mL时,可获得大粒径的CL-20产品(平均粒度为140 μm);采用双层分散盘制备的CL-20晶体外形为类球形,表面光滑均匀,粒径在40~100 μm之间可控。对比四直叶开启涡轮式和六直叶涡轮式搅拌器制备的晶体,采用双层分散盘制得的产品撞击感度和摩擦感度较低,撞击感度特性落高值和摩擦感度爆炸概率分别为23.5 cm和44%。
2021, 29(4):352-368. DOI: 10.11943/CJEM2020302
摘要:CL-20是迄今为止能量水平最高并可工程化生产的单质含能化合物,是第三代含能材料的典型代表,在新型武器装备的装药中具有极大的应用前景。CL-20的最优化合成生产以及CL-20基高能低感含能材料的制备是当前含能材料发展的重要方向。全文分析和总结了两次氢解路线制备CL-20过程各中间产物的相关研究发展状况,结合各反应中间体制造过程中所面临的问题给出了解决建议和展望分析。此外,讨论了CL-20结晶产物的研究进展,结构特征和主要性能。通过对CL-20的制备及晶体进行相关梳理,总结出低成本,高产率,高纯度,环境友好化是CL-20未来合成工艺的发展方向。
2021, 29(4):300-307. DOI: 10.11943/CJEM2020221
摘要:通过静电纺丝工艺制备了氟橡胶/聚叠氮缩水甘油醚/六硝基六氮杂异伍兹烷(F2602/GAP/CL-20)复合纤维,研究了不同溶液浓度、黏结剂含量、纺丝电压以及注射速率的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)观察其微观形貌,发现在溶液质量浓度为20%、黏结剂F2602/GAP含量为10%、纺丝电压为14 kV、注射速率为5×10-3 L·h-1时,制备的F2602/GAP/CL-20复合纤维呈三维网状结构,表面均匀且光滑。采用X射线衍射(XRD)分析、红外光谱(IR)分析、差示扫描量热仪(DSC)分析以及机械感度测试分析了F2602/GAP/CL-20复合纤维以及原料CL-20的性能。静电纺丝后复合纤维中的CL-20晶型由ε型转变成β型,且静电纺丝过程中CL-20与F2602/GAP未发生化学反应。经静电纺丝后,F2602/GAP/CL-20复合纤维的表观活化能(374.3 kJ·mol-1)比原料CL-20(178 kJ·mol-1)提高了196.3 kJ·mol-1,热稳定性得到提高。F2602/GAP/CL-20复合纤维的撞击感度H50(62.6 cm)比原料CL-20(21.2 cm)提高了41.4 cm,摩擦感度(52%)比原料CL-20(84%)降低了32%,降感效果显著。
2021, 29(4):308-314. DOI: 10.11943/CJEM2021039
摘要:为获得3,4-二硝基吡唑(DNP)/3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)二元混合体系的相图,深入了解其低共熔物的熔融过程,采用差示扫描量热法(DSC)研究了不同比例的DNP/DNTF混合体系的液化及熔融过程,建立了液化温度Tl与组成x的T-x相图、熔融焓ΔH与组成x的H-x相图;研究了不同升温速率5,10,15,20 ℃·min-1,不同添加剂奥克托今(HMX)、高氯酸铵(AP)和硝基胍(NQ)对低共熔物熔融过程的影响;通过Kissinger方程和Šatava-Šesták方程计算得到了低共熔物熔融过程的动力学参数活化能Ea、指前因子A和最概然机理函数。结果表明,从T-x相图得到的DNP/DNTF低共熔物的质量百分比为70.38/29.62,低共熔温度为76.38 ℃;由H-x相图得到的低共熔物组成为70.57/29.43。随升温速率的升高,熔融反应的开始温度和峰温延迟;HMX和NQ的加入使低共熔物的熔点明显后移,AP的加入对熔点影响不大。DNP/DNTF低共熔物的熔融动力学参数Ea和A为19.13 kJ·mol-1和109.74 s-1,最概然机理函数的积分形式为:G(α)=(1-α)-1-1。
2021, 29(4):293-299. DOI: 10.11943/CJEM2020314
摘要:为了提高爆炸网络装药效率和成型效率、改善装药能量性能,以高能叠氮胶3,3-二叠氮甲基氧丁环-四氢呋喃共聚醚(PBT)和紫外光(UV)固化树脂为复合粘结剂、以CL-20为主体炸药,设计了一种UV光辅助固化的CL-20基含能油墨,并采用3D打印平台装置对油墨进行了直写成型。采用流变仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、邵氏硬度仪等对成型复合物的流变性能、微观结构、晶型、硬度进行了表征和测试。结果表明,CL-20含量为82%时,油墨体系稳定性较好,采用UV光辅助固化的油墨固化速率快、成型样品表面平整,硬度为70 HA;撞击感度测试表明,复合物的特性落高比原料提高了20 cm;传爆性能测试表明,成型样品可实现90°拐角传爆,在1.2 mm装药宽度下,其传爆临界尺寸为0.387 mm。
杨凯迪 , 张家荣 , 薛琪 , 霍欢 , 毕福强 , 王伯周
2021, 29(4):272-277. DOI: 10.11943/CJEM2021049
摘要:为系统研究氮氧杂六元环含能化合物,以硝基甲烷、叔丁胺与甲醛溶液为起始原料,经缩合环化构建噁嗪环骨架,硝化获得新型熔铸炸药5-甲基硝酸酯-1,5-二硝基噁嗪烷(TNOP),总收率为46.2%。并采用红外光谱、1H NMR、13C NMR及元素分析等进行了结构表征,培养了TNOP单晶,晶体结构为正交晶系,空间群为Pbca,Z=8,晶体密度1.722 g·cm-3;采用DSC与TG-DTG法研究了TNOP的热行为;其熔点为110.8 ℃、分解点为203.5 ℃;研究了TNOP的爆轰与安全性能,其理论爆速8112 m·s-1、计算爆压29.23 GPa、固相生成焓-346.6 kJ·mol-1、撞击感度ISTNOP>50 J。研究结果表明,TNOP结构独特,利用N—NO2、C—NO2以及—ONO2等含能基团协同调控其能量,具有合成工艺便捷、能量较高、熔点较低、不敏感的特点,可作为潜在的熔铸炸药应用于武器装备中。
2021, 29(4):278-284. DOI: 10.11943/CJEM2020304
摘要:以4-氯吡唑为原料,设计并合成了一种新的含能化合物——3,4-双((4-氯-3,5-二硝基-1H-吡唑-1-基)甲基)-氧化呋咱,通过溶剂蒸发获得到了晶体。通过核磁共振、傅里叶红外光谱、差示扫描量热仪和热失重分析仪对该化合物及其中间产物的结构进行了表征,并通过X射线单晶体衍射仪对产物晶体结构进行了测试。测试结果显示,该化合物属于正交晶空间群Pbca,晶胞参数为a=10.1817(7) Å,b=16.1917(11) Å,c=21.7300(16) Å,V=3582.4(4) Å3,α=90°,β=90°,γ=90°,Z=8,Dc=1.836 g·cm-3。采用Kamlet-Jacobs半经验方程预测了化合物的爆速8304 m·s-1和爆压30.5 GPa。采用BAM标准方法进行感度测定,测得撞击感度为9 J,摩擦感度为180 N。
王敬凯 , 陈捷 , 睢贺良 , 于谦 , 杨秀兰 , 索志荣 , 孙杰 , 银颖
2021, 29(3):251-266. DOI: 10.11943/CJEM2020146
摘要:微纳米铝粉发生氧化反应是其放热释能和老化失活的重要途径,分子动力学和反应动力学是阐明铝粉氧化反应的微观机制,为定量水平描述氧化反应进程提供了必要手段。按照反应体系的类型,将铝粉的氧化反应分为铝-氧、铝-水以及铝-其他氧化物反应体系,综述了近年来分子动力学和反应动力学在上述反应体系中的进展,对铝粉氧化动力学的机制及氧化壳层、粒径、原子扩散速率、温度和氧浓度等关键影响因素进行了讨论,展示了分子动力学和反应动力学方法在铝氧化行为研究中的灵活性和有效性。在此基础上,针对不同氧化反应体系亟待解决的重要问题进行了分析和展望,提出未来重点需解决多因素作用下的氧化动力学、铝-水(气态)反应动力学,以及深化铝-其他氧化反应动力学研究等问题。
曹兴 , 曹红松 , 张根生 , 吴宗娅 , 赵捍东 , 刘恒著 , 王琪 , 罗普光
2021, 29(3):202-210. DOI: 10.11943/CJEM2020224
摘要:空心装药通常采用压制成型工艺,为了研究工艺参数对装药质量的影响,采用基于连续介质力学的方法,建立了空心JO-9159炸药压制过程有限元仿真模型,仿真分析了JO-9159炸药压制成型过程的相对密度、位移以及等效应力变化规律。在此基础上,针对压制速率、初始相对密度以及摩擦系数3种主要工艺参数对JO-9159炸药压制成型质量的影响进行了仿真与分析。结果显示:压制过程中JO-9159炸药粉末主要是轴向流动,靠近阴模区炸药流动相对缓慢;压制速率为0.5 mm·s-1时、摩擦系数为0.25时,成型后装药相对密度较为均匀,回弹量较小。
王珀会 , 曾炼 , 谌思嘉 , 吴金婷 , 黄明 , 李鸿波
2021, 29(1):70-77. DOI: 10.11943/CJEM2020192
摘要:3,4‐双(3'‐氨基呋咱基‐4'‐)氧化呋咱(BAFF)为原料,采用廉价易得且绿色环保的丙三醇为溶剂,经氯化亚锡还原合成关键中间体 3,4‐双(3'‐氨基呋咱基‐4'‐)呋咱(BATF),后经过氧化氢氧化得到 3,4‐双(3'‐硝基呋咱基‐4'‐)呋咱(BNTF),总收率为59.0%。采用 1H NMR、13C NMR、IR、MS 和元素分析对 BATF 和 BNTF 进行表征,并成功获得 BNTF 单晶结构数据,BNTF 晶体为正交晶系,属 P212121空间群,a=0.71437(10)nm,b=0.96839(11)nm,c=1.51555(17)nm,V=1.0484(2)nm3,Z=4,Dc=1.876 g·cm-3, F(000)=592;优 化 BNTF 合 成 工 艺 ,考 察 投 料 比 、反 应 时 间 及 反 应 温 度 对 BNTF 产 率 的 影 响 ,获 得 的 最 佳 工 艺 条 件 为 n(BATF)∶n(35%H2O2)∶n(98%H2SO4)∶n(Na2WO4?2H2O)=1∶60∶40∶0.86,反应时间 3 h,反应温度 30 ℃,收率可达 93.3%;采用DSC 法和 TG‐DTG 法测定 BNTF 的热稳定性,分别用 Kissinger 法、Rogers 法和 Arrenhis 法计算 BNTF 热分解反应的表观活化能Ea(147.83 kJ·mol-1)、指 前 因 子 A(9.33×1015 min-1)和 分 解 速 率 常 数 k(2.18×10-44),计 算 了 BNTF 的 热 爆 炸 临 界 温 度(Tb=201.36 ℃);利用 Kamlet‐Jacobs 方程估算得到 BNTF 的爆速(8.3 km·s‐1)、爆压(31.3 GPa);分别按照 GJB772A-1997 方法 601.2 和602.1 测试 BNTF 特性落高(H50=43.0 cm)和摩擦感度(36.0%)。
2021, 29(1):62-69. DOI: 10.11943/CJEM2020214
摘要:为了发展易放大、可连续化的共晶制备方法,采用溶剂/非溶剂法的微通道结晶技术制备了六硝基六氮杂异伍兹烷/奥克托今(CL-20/HMX)共晶。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、热分析和感度测试,对样品的形貌、结构、热性能和感度进行了表征分析。结果表明,该方法成功制备了CL-20/HMX共晶,其表观形貌部分呈花簇状,直径为20~30 μm,由厚度为200~600 nm的片状晶体组装而成,部分呈单独的片状结晶(厚度为200~600 nm);所制备的CL-20/HMX共晶在放热过程中仅有一个尖锐的放热分解峰,放热峰温位于243.4 ℃,低于原料CL-20(250.2 ℃)和HMX(284.7 ℃)。放热区间仅为242.7~246.0 ℃,比原料CL-20(230.0~254.6 ℃)和HMX(281.0~290.7 ℃)窄,具有较高的能量释放效率;表观活化能470.75 kJ·mol-1,介于CL-20(175.04 kJ·mol-1)和HMX(481.45 kJ·mol-1)之间,比CL-20提高了295.71 kJ·mol-1,具有较好的热稳定性;撞击感度为18 J,较原料CL-20(10 J)和HMX(14.4 J)分别提高8 J和3.6 J,摩擦感度比CL-20原料降低了20%,安全性有所提高。
2021, 29(1):20-28. DOI: 10.11943/CJEM2020185
摘要:为了加快新型含能材料研发的进度,减少因大量实验而带来的时间和资源的消耗问题,基于材料基因工程理论提出一种含能材料生成焓的预测方法。首先将搜集到的代表含能材料分子结构的原子坐标数据转换成表示分子内笛卡尔坐标系的库仑矩阵,以消除含能材料分子结构因平移、旋转、交换索引顺序等操作对生成焓预测造成的影响;然后,根据提出的基于Attention机制的卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)和双向长短期记忆网络(Bi-directional Long Short-term Memory Network, Bi-LSTM)的融合模型对含能材料的生成焓进行预测。这样,既可以有效提取数据的特征,又能充分考虑数据间的相关性,同时还能够突出重要特征对预测结果的影响。对比实验结果表明,提出的基于深度学习的方法在生成焓的预测上拥有最低的实验误差,其平均绝对误差(Mean Absolute Error , MAE)、平均绝对百分误差(Mean Absolute Percentage Error, MAPE)、均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)和均方根对数误差(Root Mean Squared Logarithmic Error, RMSLE)分别为0.0374、1.32%、0.0541和0.028,实现了“结构—性能”的预测目标,为含能材料生成焓的预测提供了一种新方法。
肖立柏 , 高红旭 , 任晓宁 , 赵凤起 , 付青山 , 曲文刚 , 莫洪昌
2021, 29(1):48-52. DOI: 10.11943/CJEM2020160
摘要:为了解叠氮黏合剂/非异氰酸酯固化剂固化体系的反应特性,通过微量热法研究了3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷与四氢呋喃共聚醚(PBT)与非异氰酸酯固化剂-丁二酸二丙炔醇酯(BPS)黏结体系的固化反应过程,采用Kissinger法和Crane法计算了该黏结体系固化反应的动力学参数和特征温度,根据333.15、343.15、353.15和363.15 K四个等温条件下该黏结体系完全固化所需的时间拟合了完全固化时间与温度的方程。结果表明,PBT/BPS黏结体系固化反应的表观活化能为81.94 kJ·mol-1,指前因子为108.48 s-1,反应级数为0.93,固化反应热为-926.88 J·g-1;该黏结体系的凝胶温度为319.29 K,固化温度344.52 K,后固化温度为366.11 K;该黏结体系固化反应中存在自催化现象;拟合出的该黏结体系完全固化时间与温度之间的关系式为y=8.3345×104e-0.02309x-11.116。
2021, 29(1):78-86. DOI: 10.11943/CJEM2020113
摘要:综述了物理混合法、球磨法、气相沉积法、静电喷雾/纺丝法、溶剂/非溶剂法、3D打印法六大类制备方法,从产品性能、方法的优缺点等角度对近些年来铝-氟聚物反应性物质的研究进展进行简要综述。介绍了铝-氟聚物反应性物质在慢升温速率和快升温速率下的反应过程。指出今后研究的重点方向为:设计一种能集各种制备方法优点于一身的新方法,加强铝-氟聚物反应性物质受热时氟聚物和铝的反应机理的研究。
2021, 29(1):13-19. DOI: 10.11943/CJEM2019182
摘要:为了研究化学当量比和氧化剂含氧量对凝胶汽油/气相氧化剂两相爆轰过程的影响,建立了考虑组分的凝胶汽油/空气三维两相爆轰模型,并采用守恒元与求解元方法对脉冲爆轰发动机管内爆轰过程进行了数值仿真,分析了当量比和氧化剂含氧量对爆轰波形成时间、形成距离、爆轰波压力峰值和爆轰波传播速度的影响。数值研究结果表明,当量比α小于1.15时,随着当量比的增大,脉冲爆轰发动机管内形成爆轰波所需的距离和时间缩短,爆轰波的压力峰值和传播速度增大,当量比α=1.15时形成爆轰波所需的距离和时间分别为0.288 m和278.0 μs,爆轰波压力峰值和传播速度分别为1.85 MPa和1437 m·s-1;随着氧化剂含氧量β的增大,爆轰波的压力峰值和传播速度增大,当氧化剂含氧量β由23%增大至48%时,爆轰波的压力峰值由1.85 MPa增大至2.85 MPa,传播速度则由1437 m·s-1增大至1868 m·s-1。
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