CL-20基共晶氧化剂的设计与制备研究

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近年来含能材料领域高能量密度的六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、高氧平衡的二硝酰胺铵(ADN)等,用作氧化剂可提升固体推进剂能量、氧平衡等性能,具有良好的应用潜力。由于CL-20存在机械感度高和低氧平衡等问题,ADN存在易吸湿和低能量等缺点,针对CL-20、ADN等氧化剂进行共晶改性成为提升固体推进剂能量、安全等性能的重要途径。根据固体推进剂对氧化剂的性能要求,分析了各种氧化剂应用在推进剂配方中存在的性能优势和不足。综述了近年来CL-20、ADN等氧化剂在机械感度、吸湿性、氧平衡等方面的共晶改性情况,总结了当前已报道的共晶氧化剂相比原材料出现的性能优缺点和在制备与应用过程中存在的问题。通过Materials Studio软件对CL-20/H2O2、CL-20/N2O、CL-20/ADN三种超分子进行晶体结构预测和分子动力学模拟,通过溶液结晶法成功制备了CL-20/H2O2共晶、CL-20/N2O共晶、CL-20/ADN共晶。采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、差示扫描量热(DSC)等方法对目标共晶进行表征,并测试了密度、机械感度、吸湿性等参数。CL-20与H2O2可能形成高密度正交型(Pbca空间群)和低密度单斜型(C2/c空间群)两种类型的共晶,两种共晶(摩尔比均为2︰1)的理论密度低于CL-20,氢键和范德华力是CL-20/H2O2共晶形成的主要驱动力,组分间结合能低、引发键平均键长变长等原因使得CL-20/H2O2共晶机械感度略高于原料CL-20。CL-20/H2O2共晶(OB=-8.79%)氧平衡高于CL-20(OB=-10.95%),感度和热稳定性与CL-20相近。CL-20与N2O可能形成正交型共晶(Pbca空间群),晶胞参数接近α-CL-20,CL-20/N2O共晶(摩尔比为2︰1)的理论密度低于CL-20,弱氢键和范德华力是CL-20/N2O共晶形成的主要驱动力;CL-20/N2O共晶(OB=-8.69%)氧平衡优于CL-20,安全性能优于原料CL-20,热稳定性与CL-20相近。CL-20/ADN共晶(摩尔比为2︰1)可能的空间群为P-1、P21、P212121,密度介于CL-20与ADN之间,氢键和范德华力是CL-20/ADN共晶形成的主要驱动力,氧平衡(OB=-5.6%)优于CL-20,氢键和范德华力提升了CL-20/ADN共晶的热稳定性,CL-20/ADN共晶相比原料CL-20具有更高的热分解温度,撞击感度优于原料CL-20,吸湿率低于原料ADN。
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