论文部分内容阅读
随着武器系统和航空航天系统向小型化和智能化方向发展,微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）被引入到火工品技术当中,现役的起爆药无法满足MEMS火工品对输出威力和装药方式的要求。开展高能钝感起爆药剂研发,对实现MEMS火工品具有重要的作用和意义。本文利用金属有机框架材料的可设计性,在多氮含能配体中引入了多氧基团,形成稳定的具有金属有机框架（MOFs）结构的高能钝感含能化合物;利用多孔碳化含铜金属有机框架材料作为前驱体,通过原位制备方法得到叠氮化铜-碳复合物起爆药（Metal-Organic Framework Templated Copper Azide,MOFT-CA）,并初步探索了起爆药薄膜加工方法。主要的研究内容如下:（1）制备具有三维网络结构的高能钝感含能金属有机框架化合物,并对制备方法和爆炸性能进行研究。使用偶氮二甲酸二烷基酯为原料,制备了2种含能配体[N,N’-二氢偶氮二甲酰肼（BHCH）和3-氨基-1,2,4-三唑-3,5-二酮（ADTO）],通过与过渡金属盐发生反应,得到了6种新型含能化合物。研究表明,镉与ADTO形成的配合物Cd-ATDO具有三维网络空间结构,表现出良好的热稳定性,分解温度可达445.87°C,计算所得的爆速和爆压分别为10070 m?s-1和49.4 GPa。（2）利用含铜金属有机框架材料作为前驱体,采用碳化-原位合成方法制备高能钝感MOFT-CA起爆药材料。分别使用高对称性有机配体[对苯二甲酸（BDC）、均苯三甲酸（BTC）和4,4’-联吡啶（BP）]与硝酸铜发生反应,利用溶剂热或搅拌法制备获得了Cu-BDC-BP、Cu-BTC-BP和Cu-BTC 3种含铜金属有机框架材料。通过X-射线单晶衍射、粉末晶体衍射和氮气等温吸附等对其晶体结构进行表征,确定了搅拌法Cu-BTC具有高比表面积和较好的结构稳定性。将Cu-BTC分别在空气或氮气氛围下进行热解碳化,探索其最佳碳化工艺,确定了400°C氮气氛围为最优碳化条件。所获得的多孔Cu-C复合物种铜和碳元素分布均匀,比表面积为82 m2?g-1,孔径分布为3-5 nm。利用原位的气-固反应制备MOFT-CA,确定叠氮化反应最佳时间。对叠氮化产物的物相、结构、形貌及热性能进行分析。结果表明,MOFT-CA碳基叠氮化铜复合物中叠氮化铜均匀地分布在碳骨架中,热稳定性较好,分解温度在200°C以上。（3）结合对比性实验,系统全面地测试和剖析了MOFT-CA的感度性能和起爆能力,揭示了MOFT-CA的降感机理。通过物理混合方法制备得到叠氮化铜-碳混合物、原位方法制备得到叠氮化铜-高比表面积活性炭复合物,测试了它们的撞击感度、摩擦感度、火焰感度、静电感度与起爆性能,与本论文所获得的MOFT-CA进行了性能对比研究。结果表明,MOFT-CA具有低的静电感度（1.6 m J）和良好的火焰感度（42 cm）,与对照试样相比具有明显的静电钝感特征。在MOFT-CA结构中,叠氮化铜均匀地分散在碳骨架中,可以有效转移叠氮化铜周围的静电荷,实现了有效降感的目的。测试了MOFT-CA的起爆性能,发现10 mg的MOFT-CA可以成功起爆RDX,同时在含能芯片中也可以成功起爆CL-20单质炸药。（4）使用静电纺丝方法初步探索叠氮化铜-碳复合薄膜的加工方法。以静电纺丝制得Cu-BTC薄膜前驱体,通过碳化、叠氮化及含氟硅烷处理,加工成叠氮化铜-碳复合薄膜（CA-film@PF）。以铜箔基叠氮化铜和多孔铜基叠氮化铜为对照,对CA-film@PF的感度性能和起爆能力进行研究。结果表明,CA-film@PF对撞击和摩擦都十分敏感,但CA-film@PF具有良好的静电感度、极低的静电积累和较好的火焰感度,而且这类材料具有优异的疏水疏油性质。测试了CA-film@PF的起爆性能发现,10 mg的CA-film@PF就可以成功起爆RDX。该薄膜的成型加工与制备方法在MEMS火工品中具有非常好的应用前景。