CL-20/DNB共晶炸药的制备、结构与性能研究

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六硝基六氮杂异伍兹烷(简称HNIW,俗称CL-20)是目前能量最高的单质炸药之一,它不仅氧平衡优良,且爆速、爆压、密度等都优于当前军用主炸药奥克托今(HMX),能量输出比HMX高10%-15%,被誉为“明天的炸药”。但其安全性不理想,成本较高,因此严重制约了它的发展应用。为了提高CL-20的安全性,并降低其使用成本,本文采用共结晶技术将CL-20与廉价、钝感的炸药1,3-二硝基苯(DNB)以摩尔比1:1相结合,得到一种综合性能优良的新型共晶炸药,为今后类似炸药共晶的制备和研究工作奠定了基础。论文主要工作如下:(1)综合氢键设计法、分子互补法、以及类比法三种共晶炸药设计方法,结合CL-20的结构、性能特点,设计出了CL-20/DNB共晶炸药。采用溶剂挥发法,以无水乙醇作溶剂,按CL-20和DNB的投料比:n (CL-20): n (DNB)=1:6制得CL-20/DNB共晶炸药。(2)对所得共晶炸药的形貌、结构进行观察和研究,结果表明,CL-20/DNB共晶炸药呈明显不同于两种前驱体的无色棱柱状结晶,其分子式为C12H10N14O16,分子量为606.34,密度为1.880g/cm3,晶体属正交晶系,Pbca空间群。共晶晶体内部双层的CL-20分子与单层的DNB分子交替排布,且其内CL-20分子的构型以及排布方式均与β-CL-20晶体相似。共晶晶体内的分子间作用力主要有氢键、p-π相互作用、硝基-硝基相互作用及π-π相互作用,这些作用力以及层状的分布结构使得共晶晶体堆积紧密,堆积系数达0.781。(3)对共晶炸药的热性能进行分析研究,结果表明,共晶的热分解过程可分为三个阶段:首先,共晶在136.6℃熔化,转变为液态的DNB和β-CL-20,随后,随着温度的升高,β-CL-20转晶为γ-CL-20并在216.8℃左右分解,最后在温度达到242.8℃左右时,DNB分解。(4)共晶炸药爆轰性能的理论计算结果表明,其爆速为8434m/s,爆压为34.07GPa,较ε-CL-20(9386m/s,45.09GPa)稍微下降,但比DNB(5840m/s,14.18GPa)提高很多,且与CL-20/TNT(8466m/s,33.8GPa)共晶炸药相当。究其原因,主要是由于CL-20/DNB共晶炸药较高的分子堆积密度导致其较大的晶体密度所致。(5)共晶炸药机械感度测试结果表明,CL-20/DNB共晶炸药的特性落高(H50)为55cm,摩擦感度以爆炸概率表示为48%,较ε-CL-20以及前驱体的机械混合物大幅改善,较CL-20/TNT共晶炸药更加安全。
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