CL-20基光固化炸药油墨设计与3D直写成型技术研究

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MEMS(Micro-Electromechanical)火工品是未来火工品发展的主要方向,也是微起爆序列发展的必然选择。炸药油墨直写技术具有安全可靠、精度高和可塑性好等特点,已经成为MEMS火工品最有效的装药方法。针对传统炸药油墨成型速度慢问题,本论文将UV(Ultraviolet)光固化新材料引入到炸药油墨配方代替传统粘结体系,设计出一种可快速固化的新型炸药油墨配方,利用炸药油墨直写技术对微尺寸含能器件进行了装药成型,探讨了炸药油墨的固化机理,并对炸药油墨成型样品的微观结构、安全性能和传爆性能进行了测试和分析。具体内容如下:首先,采用机械球磨法对主体炸药CL-20进行细化,并对得到的亚微米级CL-20样品的微观结构进行了表征。选择以2官脂肪族聚氨酯丙烯酸树脂、2,4,6,-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦(TPO)和无水乙醇组成光固化粘结体系,并通过控制变量法对该粘结体系各组分含量进行了优化。采用博勒飞流变仪对不同CL-20含量的炸药油墨配方的流变性能进行了测试。结果表明:亚微米级CL-20的外观呈类球形,颗粒尺寸较为均匀。光固化粘结体系优化后,各组分配比为:9.05%wt PUA、0.47%wt TPO和90.48%wt无水乙醇。当CL-20固含量为90%wt时,CL-20基光固化炸药油墨的非牛顿指数最高,满足了释能和直写成型工艺的要求。其次,采用炸药油墨直写技术和光固化技术对光固化炸药油墨进行了装药成型。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分别对CL-20基光固化炸药油墨成型样品的微观形貌和晶型进行了表征分析,利用铅笔硬度仪对炸药油墨样品的硬度变化和固化速率进行了测试与分析,并对光固化炸药油墨成型样品的撞击感度、摩擦感度和热分解性能进行了测试。结果表明,炸药油墨成型样品的表面平整,样品中的CL-20与粘结剂分布均匀,且样品中CL-20的晶型与原料CL-20的一致,依旧为ε-型;光固化炸药油墨固化成型时间小于10分钟,具有较快的固化速度;与亚微米CL-20相比,光固化炸药油墨成型样品的分解峰温相当,且其表观活化能()为201.15kJ·mol-1,特性落高(H50)值为40.6 cm,表明成型样品具有较高的热安定性和较低机械感度。最后,对CL-20基光固化炸药油墨成型样品的临界传爆厚度、极限厚度、爆速等爆轰性能进行了测试和分析,并对输出起爆能力和连续拐角传爆能力进行了研究。结果表明,成型样品的临界传爆厚度为0.078 mm(装药宽度为1 mm),极限厚度在1mm以下(装药宽度为1 mm),爆速为7357 m·s-1(装药宽度为1 mm,装药密度为1.6745 g·cm-3)。此外,光固化炸药油墨装药能够成功直线传爆并起爆下级装药PBXN-5,但不能成功起爆PBXN-7,同时,当该炸药油墨装药在装药尺寸为1×1 mm时,能够在具有连续90°拐角的沟槽内成功传爆。
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