为了改善二茂铁基衍生物的燃烧催化性能，向其引入富氮的高能基团，以构建具有良好热稳定性、燃烧催化活性的新型二茂铁基三氮唑化合物。用含三氮唑基团的化合物为原料与二茂铁甲酰氯、二茂铁甲醛反应，分别合成单、双二茂铁基三氮唑化合物，通过1H NMR、13C NMR、X-射线单晶衍射、IR和UV-Vis对化合物的结构进行表征，并测定其抗氧化性，热稳定性及对AP的催化性能。结果表明：合成的化合物的电位差值均大于80 mV，具有一定的抗氧化性；单二茂铁基三氮唑化合物A1-A4的热分解温度在200°C左右，双二茂铁基三氮唑化合物A5-A7的热分解温度在240-380°C，因此后者的热稳定性相对前者更高；化合物对AP有一定的催化性能，均能引起AP的两个放热峰不同程度的提前，其中单、双核二茂铁基三氮唑化合物对AP的低温放热峰分别提前了69-84°C、56-62°C，高温放热峰分别提前了144-165°C、153-184°C。由此得知双核二茂铁基三氮唑化合物对AP的催化性能优于单核二茂铁基三氮唑化合物。

为了获取不同约束方式和强度下HMX基压装含铝炸药慢速烤燃响应特性，以典型超音速钻地/侵爆战斗部为背景，设计了装药长径比为5:1的缩比烤燃弹，开展了无约束和不同约束强度下HMX基压装含铝炸药慢速烤燃实验，获取了无约束条件下HMX基压装含铝炸药反应过程，以及不同壳体壁厚（4mm、10mm、16mm和20mm）和端盖螺纹长度（10mm、12mm和14mm）时装药反应烈度变化规律。结果表明，慢速烤燃条件下该HMX基压装含铝炸药反应包括生成气体、端面燃烧、火焰熄灭三个阶段；烤燃弹约束强度影响装药烤燃时间和点火温度，进而影响烤燃弹内部反应压力增长，最终导致不同的反应等级。当螺纹长度L=14mm时，随壳体厚度δ由4mm增加至20mm，反应等级由爆燃发展为爆炸而后降低为燃烧；当壳体壁厚δ=10mm时，随螺纹连接长度L由10mm增加至14mm，烤燃弹反应等级由燃烧转变为爆炸。当壳体壁厚δ与等效壳体壁厚δe相当时，烤燃弹约束强度较为均匀，有利于反应压力的不断增长，最终导致烤燃弹发生更为剧烈的爆炸反应。研究结果可为不敏感侵彻类战斗部结构设计提供依据。

ReaxFF分子动力学模拟基于力场方法高效地再现复杂反应的演化过程，日渐成为探索凝聚相含能材料非平衡态反应的重要手段。本综述从ReaxFF分子动力学在炸药领域的研究出发，重点论述了ReaxFF力场的构成和发展、力场优化方法和应用。方法主要涵盖了多目标进化策略、增强的粒子群优化算法和基于神经网络的反应力场。应用领域根据外部条件分为加热和加压、冲击加载、激光和电场等情景，研究主体涉及单质/共混/共晶炸药、含有缺陷炸药以及金属复合炸药。附参考文献133篇。

纳米单质含能材料在武器弹药高效释能和可控反应方面应用广泛,已作为重要的提升国防技术水平的关键材料得到世界各国高度关注并争相研究。为了充分发挥含能材料的能量潜能、满足武器装备的高性能需求,并为我国纳米炸药领域的研究提供借鉴,基于国内外相关研究工作,综述了常规含能材料的纳米化制备工艺及其在火炸药领域的应用现状。首先,归纳梳理了针对高能燃料、单质炸药、强氧化剂与储氢材料等相适应的纳米化技术,并对其工艺特点和细化效果进行了分析; 其次,对比讨论了纳米化后的单质含能材料与其他配方组分间的作用特性,并阐述其在推进剂、战斗部、火工品等应用场合的优越性; 最后,从粒子分散、氧化失活、吸湿结块等角度提出当前限制纳米单质含能材料进一步发展的主要因素。附参考文献197篇。

总结了气体环境中金属丝电爆炸的电流电压波形特征,分析了电爆炸过程中的演化图像和等离子体参数; 讨论了纳米颗粒的形成机理,归纳了金属丝电爆炸在制备合金纳米颗粒、金属化合物纳米颗粒的研究; 并介绍了基于金属丝电爆炸法的纳米粉体量产装置的进展,最后指出研究面临的挑战和未来发展方向,需要进一步建立金属丝电爆炸特性的高通量数据库,加强对合金纳米颗粒形成机理的研究,并且优化电爆炸法纳米粉体生产装置的工艺参数。

为了研究Al/CuO铝热剂的高能量释放速率对Al/PVDF薄膜燃烧性能的影响,采用静电喷雾沉积法将Al/CuO/5%PVDF或Al/CuO/10%PVDF铝热剂与Al/PVDF薄膜原位层间堆积得到多层复合薄膜,通过调控Al/CuO/PVDF铝热剂的组成结构和厚度来调控该薄膜的燃烧性能,获得了该多层薄膜的线性燃速、可视化火焰温度和归一化热密流随铝热剂组成和厚度的变化规律。结果表明,铝热剂的组成和厚度直接决定薄膜的燃速大小和燃烧传热方式,除了Al/PVDF-Al/CuO/5%PVDF 3层薄膜表现为对流燃烧,燃速(104±10)cm/s,火焰温度2700K,其他多层薄膜的燃速只有5.5～12.0cm/s、火焰温度只有1570～1700K,Al/PVDF层对Al/CuO/5%PVDF或Al/CuO/10% PVDF层的紧密约束将铝热剂燃烧的对流传热方式可能转化为热传导和热辐射传热。Al-PVDF反应和Al-CuO反应之间的相互作用削弱了Al/CuO/PVDF铝热剂的高能量密度和高能量释放速率优势。

为了改善纳米铝粉表面氧化失活的特性,制备高反应活性铝粉,采用改进金属电爆丝工艺,用小分子溶剂代替惰性气氛作为保护介质,调节电压获得胶状铝悬浊液,往悬浊液中滴加氟橡胶F₂₆₀₃的乙酸乙酯溶液,氟橡胶在乙酸乙酯/无水乙醇混合溶液中快速饱和析出,由此实现氟橡胶对铝粒子的原位包覆; 采用透射电子显微镜(TEM)观察了制备的胶状铝悬浊液的形貌,采用X射线衍射(XRD)和拉曼光谱对微纳米铝粉进行结构分析,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和纳米红外光谱仪(nano-FTIR)观察了包覆产物的形貌和粒径,采用X射线光电子能谱(XPS)对包覆产物进行表界面分析,采用热重-差示扫描量热仪(TG-DSC)对制备的微纳米铝粉和包覆产物进行热分析。结果表明,电爆制备的铝粒子表面有一壳层,其成分为Al₂O₃、Al₄C₃、无定形碳和石墨; 氟橡胶通过物理吸附作用对铝粒子进行了良好包覆,得到核壳结构复合材料,其粒径为微米级范围,包覆产物比电爆铝粒子反应温度提前45.73℃,活化能降低108.33kJ/mol,有效改善了微纳米铝粒子活性。

采用水热法合成出十四面体氧化铁,然后自组装制备出十四面体氧化铁/石墨烯纳米复合材料(tFe₂O₃/rGO); 采用X-射线粉末衍射仪(XRD)、 X-射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等对tFe₂O₃/rGO纳米复合材料进行了表征; 利用差示扫描量热法(DSC)研究了tFe₂O₃ 和tFe₂O₃/rGO对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)热分解行为的影响,分析了tFe₂O₃/rGO复合材料对CL-20的热分解催化效果及其对CL-20的热分解动力学和热安全性的影响。结果表明,引入石墨烯可有效降低tFe₂O₃颗粒大面积的团聚程度,并且tFe₂O₃/rGO具有更大的比表面积; 石墨烯的引入降低了tFe₂O₃/CL-20热分解反应的活化能及热分解温度,但未改变其热分解机理; tFe₂O₃/rGO和tFe₂O₃使得CL-20的放热分解峰温分别提前了5.35℃和4.79℃,热稳定性降低,表明所制备的tFe₂O₃/rGO复合材料能有效催化CL-20的热分解。

为了促使高氯酸铵(AP)在更低的分解温度下获得更高的放热量,通过对其粒径、形貌和微结构调控,来改善AP的热分解性能; 采用冰模板法结合冷冻干燥技术来构筑AP的分级结构空心微球(HM-AP),通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、比表面积和孔径分析仪、TGA-FTIR热红联用仪,对其形貌、微结构以及热分解性能进行表征。结果表明,HM-AP的表观形貌为三维纳米网格结构聚集而成的开口空心微球,微球直径约0.5～2μm,网格中AP的粒径约20nm; HM-AP包含大量的中孔(孔径2～6nm),比表面积为6.94m²/g,孔体积为0.0237cm³/g。由于纳米尺寸效应和分级结构效应,HM-AP在DSC曲线上仅有一个尖锐放热峰,分解峰温较原料AP的高温分解(HTD)峰温提前了123.2℃,放热量是原料AP的7.6倍,表观活化能从原料AP的185.89kJ/mol降低到170.67kJ/mol,说明HM-AP的热分解效率和速率较原料AP得到显著改善。

为了降低HMX的感度,提高其安全性,降低运输风险,减少放大生产中的成本,采用微通道反应器,基于溶剂-非溶剂重结晶法,实现了连续流制备微纳米γ型HMX。在非溶剂相为水时,探究了溶剂及其饱和度、总流速、流速比等因素对于HMX粒径的影响,分析了HMX转晶的原因。结果表明,HMX的饱和DMF溶液在流速比为1:14、总流速为15mL/min、体系温度为10℃条件下,制备的微纳米HMX颗粒平均粒径达到370nm,撞击感度为7J,相比原料降低了40%。实验表明,过饱和度作为成核推动力在微通道反应器内同样成立; 流动相总流速越小,溶剂相与非溶剂相流速比越小,对纳米化越有利。

采用溶胶-凝胶法,以石墨烯为载体,通过超临界CO₂干燥和高温煅烧制备出G/Ni/Fe₂O₃纳米复合材料,采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、N₂吸附-脱附法(BET)和差示扫描量热法(DSC)研究了纳米复合材料的结构、性能及其对高氯酸铵(AP)热分解催化性能的影响。结果表明,G/Ni/Fe₂O₃纳米复合材料具有多孔结构,比表面积为142m²/g,总孔容积为0.55cm³/g, Ni和Fe₂O₃粒子以纳米尺寸均匀分散在石墨烯片层上; 当G/Ni/Fe₂O₃纳米复合材料的质量分数为9%时,AP的高温分解峰温由434.2℃降至347.9℃; 分解放热量由593J/g增至1524J/g,归因于片层结构的GO可加速电子移动以及抑制纳米粒子团聚的双重作用,在高能固体推进剂中具有重要的应用潜力。

为改进Al基复合含能材料的燃烧性能,采用先氧化后还原热处理方法制备了多层石墨烯,结合高能球磨法制备了Al-C、Al-B和Al-B-C 3种复合材料,并采用SEM-EDS和XRD等方法表征了复合材料的结构; 采用氧弹量热仪测定了复合材料的燃烧热; 采用CO₂激光点火器测定了复合材料的点火延迟时间。结果表明,制备的多层还原氧化石墨烯比表面积为85.5m²/g,孔径介于15～200nm之间; 在600℃和700℃热处理的Al-C材料具有最高的燃烧热值,材料的点火延迟时间随热处理温度的升高而有所延长; Al-B复合材料在高温下易生成AlB₂合金,这使得未经热处理的材料具有最高的燃烧热值,而750℃处理的材料具有最小的点火延迟时间; 经过600℃和700℃热处理的Al-B-C复合材料的燃烧热值最高,过多B的加入会抑制材料的燃烧,但也会缩短材料的点火延迟时间。

为深入了解纳米铝粉-聚四氟乙烯(Al-PTFE)的化学反应机理,以热重(TG)实验数据为基础,采用化学反应神经网络(CRNN)对纳米Al-PTFE反应机理进行动力学建模; 提出的建模方法可以建立至少包含4种反应中间体和4个关键反应的动力学模型,通过此模型可以准确预测Al-PTFE反应过程中的热重曲线; 再结合已有的Al-PTFE体系动力学过程,推测反应体系的主要反应路径和中间产物。结果表明,纳米Al-PTFE的热解过程可能存在5步基本反应,其中C₂F₄的分解和气化反应、薄膜Al₂O₃的破损、内部Al的释放为其主要反应,活化能为200.9kJ/mol。中间物质可能包括CF、CF₂、CF₃等物质,固态产物为Al₄C₃和C,气态产物可能为CO₂和CO。表明化学反应神经网络能够对纳米Al-PTFE的热解反应进行建模,预测可能存在的反应机理和相应的动力学参数。

为进一步提高纳米铝粉的应用性能以及能量水平,采用化学气相沉积(CVD)技术制备了具有核壳结构的Al@PTFE复合材料,研究了反应时间、反应温度等参数对材料制备过程的影响; 采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜电子能谱成像分析(TEM-MAPPING)、X射线电子能谱(XPS)等方法分析了材料的结构与组成; 采用氧弹法测试了样品的燃烧热,对Al@PTFE复合材料在空气气氛下的燃烧产物进行了结构表征,并分析了复合材料的放热过程。结果表明,Al@PTFE复合材料的最佳制备条件为:采用六氟环氧丙烷与氩气体积比为1:1,流速为100mL/min,300℃裂解条件下反应60min; Al@PTFE复合材料具有良好的核壳结构,表面包覆层为聚四氟乙烯,厚度约4.5nm; Al@PTFE复合材料在440℃附近存在一个明显的预点火放热过程以及失重现象,失重率为3.5%,与原料纳米铝粉相比,Al-PTFE复合材料燃烧热提升了4.1%,能量显著提高。

为了得到高反应活性的铝热剂体系,以四氢铝锂和三氯化铝为原料合成了氢化铝(AlH₃),利用其高活性进一步与纳米氧化铁(Fe₂O₃)制备了多个化学计量比(φ)的氢化铝/氧化铁(AlH₃/Fe₂O₃)复合材料; 采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等对复合材料的结构形貌进行了表征; 利用热重分析法(TG)和差示扫描量热法(DSC)研究了样品的热性能。结果表明,AlH₃样品中少量为α-AlH₃,大部分为无定形AlH₃; AlH₃/Fe₂O₃复合材料中AlH₃与Fe₂O₃复合较好,Fe₂O₃在AlH₃颗粒表面分散较为均匀,具有良好的热性能。φ取0.6时,AlH₃过量,放热量为810.2J/g; φ取2.0时,Fe₂O₃过量,放热量为626.5J/g; 这两个化学计量比下的反应程度不高,放热量较低; φ取1.0时,反应放热量最大,为2181.6J/g,表明在此计量比条件下反应较为完全。

为改善2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)的形貌/尺寸,扩大其在高能钝感配方设计、制备及装药中的实用性,采用机械球磨法批量化制备了粒径在100nm以内的LLM-105颗粒; 采用扫描电子显微镜(SEM)和纳米激光粒度仪观测了纳米LLM-105的形貌和粒径分布; 采用X射线衍射仪(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)分析了其分子结构和晶型; 采用热重-差示量热扫描仪(TG-DSC)研究了其热性能的变化; 最后对其撞击感度、摩擦感度和静电火花感度进行了评估。结果表明,纳米LLM-105的平均粒径约为94.7nm,形貌呈类球形; 机械球磨法未改变LLM-105的分子结构和晶型; 纳米LLM-105热分解峰温较原料粗颗粒提前了13～18℃,表观活化能提高了12.8kJ/mol; 撞击感度降低了约66.1%,摩擦感度升高了约6.0%,静电火花感度降低了约4.5%。

为了改善纳米CuO的分散性和提髙其对高氯酸铵(AP)的催化分解性能,选择异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)作为偶联剂,采用多肽对纳米CuO进行表面改性,通过化学键合的作用成功制备了纳米CuO/IPDI/多肽复合粒子; 采用TEM、FTIR、TG、XRD方法测定了复合粒子的结构,采用DSC方法测定了复合粒子对AP热分解的催化性能。结果表明,多肽可以成功地嫁接在纳米CuO表面; 当IPDI/多肽的表面包覆量(质量分数)为5%时,纳米CuO的分散性得到明显改善,复合粒子对AP的催化性能最好,最高放热峰温为322℃,放热量为1228J/g,与纯纳米CuO相比,放热峰温提前10℃,放热量增加115J/g。

为了提高纳米铝粉的长储稳定性,采用原位包覆法制备了端羟基叠氮缩水甘油醚(GAP)包覆纳米铝粉; 采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线能谱仪(EDS)、粉末X-射线衍射仪(PXRD)和红外光谱仪(FTIR)对产物的微观形貌、组分和结构等进行了表征,并结合微机全自动量热仪、真空安定性试验仪和光学接触角测量仪等对产物的燃烧热、真空安定性及与水的接触角和吸湿性进行了测试。结果表明,GAP包覆纳米铝粉呈球形,中位粒径为110nm,GAP均匀包覆在铝粉表面; 包覆后GAP的红外特征峰未发生偏移,表明包覆过程为物理过程; 包覆后纳米铝粉燃烧热值为25.07kJ/g,较钝化纳米铝粉提高了6%; 包覆产物单位质量放气量为1.776mL/g,真空安定性良好,有利于长期储存; 经过包覆的纳米铝粉与去离子水的浸润性有很大改善,接触角由48.17°增至70.89°; GAP包覆纳米铝粉吸湿质量增量仅为0.36%,较纳米铝粉显著减少,表明GAP包覆纳米铝粉能显著提升其长储稳定性。

为了改善纳米氧化铜(CuO)的分散性,提高高氯酸铵(AP)的热分解性能,采用溶剂-非溶剂重结晶法制备球形纳米CuO@AP核壳粒子; 通过扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、红外光谱仪、TG-DSC同步热分析仪、撞击感度仪对所制备样品的形貌、晶体结构、热分解性能和撞击感度进行表征,并与原料AP、纳米CuO/AP混合物进行比较。结果表明,纳米CuO@AP以纳米CuO为核,AP为壳,球形度较好; 相比于原料AP和纳米CuO/AP混合物,纳米CuO@AP的高温分解峰温分别降低100.33℃和19.27℃,速率常数提高112.35倍和1.19倍,撞击感度降低70.14%和41.23%; 表明该核壳粒子的热分解性能得到改善,降感效果显著。

为提高苯并三氧化呋咱(BTF)的安全性能,通过静电喷雾技术制备了纳米BTF炸药,采用扫描电子显微镜(SEM)和激光粒度仪观察其形貌和粒度; 采用热重-差示扫描量热仪(TG-DSC)、5s爆发点实验和撞击感度测试分析了原料BTF和细化BTF的性能。结果表明,BTF炸药呈类球形,粒径在300～500nm之间,中值粒径为388.7nm; 经静电喷雾后,细化BTF的表观活化能(141.27kJ/mol)比原料BTF(191.13kJ/mol)降低了49.86kJ/mol,热爆炸临界温度提高了14.06K,热稳定性在一定程度上得到提高; 细化BTF的5s爆发点温度(546.27K)比原料BTF(532.21K)提高了5.34K,热感度降低; 细化BTF的特性落高(52.24cm)比原料BTF(20.52cm)提高了31.72cm,爆炸百分数由72%降至48%,降感效果明显。

为改善纳米铝粉的燃烧放热性能,采用静电喷雾法制备了n-Al@PVDF(聚偏氟乙烯)核壳结构复合材料,以最大燃烧压力(p_max)和升压速率(p_max/Δt)为评价指标,并利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)研究了针头内径、推进速率、接收距离和外加电压4个条件对复合粒子形貌特征及燃烧性能的影响,并与机械混合法制备的样品进行了对比。结果表明,采用PVDF通过静电喷雾法对纳米铝粉进行改性,所制得的样品形貌规整,核壳结构清晰可见,其升压速率及压力峰值均高于机械混合法制备的样品,表现出更优的燃烧性能; 不同变量的影响程度也具有差异,外加电压对制备效果影响最大,而针头内径的影响相对最小; 在针头内径为0.60mm、推进速率为0.5mL/h、接收距离为8cm、外加电压为14kV的条件下制备的复合粒子形貌特征最规整,燃烧性能最优,燃烧最为完全,产物更倾向于生成稳定的α型Al₂O₃。

为同时提高纳米Al粉的抗氧化性能及反应活性,采用静电喷雾法成功制备了不同聚偏氟乙烯(PVDF)含量的Al/PVDF复合含能微球; 通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪及全自动物理吸附分析仪对所得含能微球的形貌、组分及结构进行表征,利用同步热分析仪、高速摄影仪及光电信号探测器对所得微球的热性能和燃烧性能进行研究。结果表明,所得Al/PVDF含能微球的形貌规整,粒径分布在2.5～4.5μm之间,且随着PVDF质量分数从1%增至15%,微球的两个氧化过程的放热峰峰温分别从625.3℃增至639.5℃、从823.5℃增至861.3℃,放热量从6.9kJ/g提高至11.3kJ/g,点火延迟时间从724ms降至374ms,燃烧更剧烈。说明PVDF的引入,不仅可以提高纳米Al粉的抗氧化性能,而且可激活纳米Al粉的反应活性,使其反应性能大大提升。