综述了非均质固体炸药的冲击起爆机制、宏细观反应流模型、中尺度/跨尺度及连续介质尺度数值模拟和冲击起爆试验及测试技术等研究进展,并总结作者团队近年来在该领域的研究成果; 分析了该领域的未来发展趋势,旨在加深对非均质固体炸药冲击起爆爆轰物理机制的认识,为装药安全性研究提供方法和技术手段。指出非均质固体炸药冲击起爆物理响应过程复杂,往往由多种热点机制控制,现有反应速率模型考虑热点机制单一,无法适应冲击起爆过程的高保真计算。现阶段压力相关型反应速率模型虽然在一定范围内适应细观结构的变化,但无法描述复杂加载路径如多次加载和斜波-冲击复合加载下炸药脱敏或敏化、拐角效应死区现象等,而熵或温度相关型反应速率模型可较好地适应复杂加载,但未考虑细观结构响应机制。发展多热点机制耦合作用的、宽适应范围的宏细观反应速率模型是反应流模型的重要方向。快响应高分辨率的细观实验诊断技术一直是爆轰领域的技术难点,中尺度计算是现阶段冲击起爆热点机制研究的主要手段,已初步实现从中尺度到宏观尺度的冲击起爆跨尺度计算,仍是非均质固体炸药冲击起爆与爆轰问题数值模拟发展的重要趋势。附参考文献151篇。

为有效提高可压缩多介质流体数值模拟的精度和稳定性,需要准确描述界面的位置以及界面两侧介质间的相互作用。针对JWL、多项式等具有高度非线性状态方程的多种流体间的相互作用问题,提出了一种通用、高效、误差可控的Riemann问题求解方法,能有效提高物质界面上各物理量的计算精度。结合Euler坐标系下的可压缩多介质流体数值方法,建立了一套能够模拟具有高密度比、高压力比以及复杂状态方程的二维多介质流体计算体系; 结合网格自适应技术,对TNT空中爆炸自由场、TNT爆炸近区冲击波反射和水下爆炸等问题进行了数值模拟,并与实测结果进行了对比。结果表明,数值计算的爆炸冲击波参数与相关实测结果一致,表明该方法可用于复杂环境下爆炸冲击波传播规律的研究。

系统介绍了近年来基于密度泛函理论计算、ReaxFF分子动力学和从头算分子动力学的微观模拟方法在纳米铝热剂反应过程研究中的应用,主要对采用微观模拟方法研究纳米铝热剂的静态组分界面稳定性、反应机理、反应行为和反应特性等工作进行了综述,重点总结了微观模拟方法在铝热剂反应机理探索与验证中取得的成果,并从原子扩散行为和原子间成键行为两方面分析铝热反应行为。最后对纳米铝热剂将来的研究方向与发展趋势进行了展望,认为可以对现有铝热体系进行扩展,考虑不同载荷条件下纳米铝热剂的点火机制、建立微观-宏观耦合及弥补微观模拟与宏观连续尺度模拟的不足等,从而为纳米铝热剂研究提供相关理论指导。附

针对螺压改性双基推进剂制备过程的关键工序——压延,综述了影响压延塑化质量的因素、塑化质量的评价方法以及压延过程中存在的安全风险和采取的安全措施; 压延塑化质量主要受到NC结构和性质、固体添加组分以及压延装置结构和工艺条件的影响; 差示扫描量热(DSC)法常用于定量分析推进剂物料塑化程度; 推进剂物料中的硬性杂质在压延过程使得物料局部出现的“热点”、物料中水分受热产生气泡的绝热压缩以及不适当的工艺参数等是燃爆风险的根源。对压延过程质量和安全控制技术发展方向进行了预测,指出红外光谱和超声波在线检测技术有望实现推进剂压延塑化效果的在线检测,远红外测温、在线连续测压和气体检测技术有望实现推进剂压延过程安全的在线检测,进而实现螺压改性双基推进剂压延过程质量及安全控制。附

综述了基于氮氧化富氮骨架的含能材料合成研究进展,以单环型、串联型及并联型分子骨架结构进行分类,重点围绕N-氧化物片段的引进策略进行比较,表明并联型富氮芳环N-氧化物的骨架合成难度最大,但往往能够获得较串联型与单环型氮氧化富氮骨架更为致密的结构。通过将直接氮氧化引进策略与环化氮氧化引进策略同时进行分析讨论,阐释了不同骨架结构的N-氧化物含能材料构建的设计思路。在此基础上,进一步比较了相关化合物的合成方法并对代表性化合物的性能进行了评估。 附

为提高六苄基六氮杂异伍兹烷(HBIW)氢解脱苄反应的“气-液-固”多相间传质效率,以HBIW和H₂为原料、Pd(OH)₂/C为催化剂,在声共振强化反应器作用下,经氢解脱苄反应合成四乙酰基二苄基六氮杂异伍兹烷(TADB); 利用核磁共振谱(¹H-NMR,¹³C-NMR)和高分辨质谱(HRMS)对产物结构进行了表征; 通过单因素实验和正交实验研究了反应温度、反应时间、加速度和反应压力对收率的影响,并与传统的釜式反应进行了对比,分析了声共振技术强化反应过程的机理。结果表明,在反应原料为1.5g HBIW、0.15g质量分数10%的Pd(OH)₂/C催化剂、5mL Ac₂O、7mL DMF和0.1g PhBr的条件下,反应加速度为392m/s²,反应压力0.2MPa,18℃反应30min,45℃反应60min,产物TADB收率83%。在以上反应条件下,声共振强化技术与传统釜式工艺相比,产物TADB收率没有变化,但反应时间由18h缩短至90min,时间缩短了91.7%。声共振强化反应传质的原因是改善了氢气在液相中的分散,增大了相间的接触面积,从而提高了反应效率,缩短了反应时间。

以三氨基胍硝酸盐(TAGN)、甲酸为起始原料,经酰化、脱水等反应合成了3-肼基-4-氨基-1,2,4-三唑硝酸盐((HATr)·(NO₃)₂),并采用元素分析、红外光谱、核磁共振和X-射线单晶衍射等对目标化合物进行表征,采用TG-DSC联用热分析技术研究了目标化合物的热分解特性; 运用Gaussian 09程序和EXPLO5预估了其爆轰性能; 利用BAM感度测试仪对其进行感度测试。结果表明,最佳合成条件为:甲酸质量分数45%,反应温度110℃,反应时间2h; 在最佳合成条件下产率为92.92%,产物为白色晶体。目标化合物的热分解温度范围为156～270℃; 理论爆速和爆压分别为7978m/s和28.3GPa; 撞击感度大于40J,摩擦感度为360N,均低于TNT和RDX。

以5-氨基四唑为原料,经氧化、还原及中和反应合成了5,5'-肼基双四唑二羟胺盐(HBT-HA),并利用红外光谱、核磁共振、元素分析对产物进行了表征。利用差示扫描量热法(DSC)、热失重法(TG)对HBT-HA进行了热分解研究,并结合Kissinger法和Ozawa法及相关方程计算了HBT-HA的热动力学参数、热爆炸临界温度; 基于实测密度(ρ=1.519g/cm³)和预估生成焓(ΔH_f=1877.3kJ/mol),利用Explo5(V6.04)软件预估了HBT-HA的爆速、爆压和爆热,采用BAM撞击感度测试仪测试了HBT-HA的感度; 优化了HBT-HA的合成工艺,并测试了HBT-HA与双基推进剂的相容性。结果表明,中和反应较佳反应条件为:以水为反应溶剂,反应温度为10～15℃,n(HBT):n(NH₂OH)=1:5时反应1h; HBT-HA的热分解峰温为241.7℃,活化能、指前因子、热爆炸临界温度分别为271.18kJ/mol、63.90s^-1、513.15K; 预估的爆速、爆压和爆热分别为9118m/s、33.1GPa和10.65MJ/kg,HBT-HA的撞击感度大于60.0J; 相容性测试结果表明,HBT-HA可提高双基推进剂的热稳定性。

为了理解含能材料微观起爆机理,利用自洽电荷紧束缚密度泛函理论结合多尺度冲击模拟技术研究了固相RDX晶体在冲击波加载下的分解过程,采用含时密度泛函理论获取主要稳定产物的荧光发射谱及振动分辨的发射谱。结果表明,在低速冲击下(冲击波速度≤8km/s),温度随时间上升缓慢且达到平衡后不超过1700K,RDX未完全引爆,初始分解反应源于N—NO₂键的断裂,模拟时长超过10ps后产物随时间变化趋于稳定,最终稳定产物以NO₂、NO和H₂O为主; 在高速冲击下(冲击波速度≥9km/s),平衡温度和应力显著增加,RDX完全引爆,N—NO₂键受到高压抑制,初始分解反应源于C—H键和主环上C—N键的断裂,模拟时长超过3～5ps后产物随时间变化趋于稳定,最终稳定产物以N₂、CO和H₂O为主。模拟结果反映出固相RDX在冲击作用下初始起爆过程具有显著的分段特性。CN₂分子的电子从第二激发态(E=-4007.3eV)向基态(E=-4010.8eV)跃迁,发射谱线波长为354nm,摩尔吸收系数为7413934801dm³/(mol·cm),并且随着温度的升高,发射光谱特征峰的波长基本不变,但谱线强度逐渐减弱。

为了阐明聚合氮的形成、分解及性能,利用金刚石对顶砧研究了氮气的高压相变行为,在高温高压条件下制备了立方偏转聚合氮(cg-N),完成了结构表征及卸压研究,计算了cg-N在不同压力下的能量性能。结果表明,氮气在升压过程经历了5个相态4个相变点,分别是β-N₂相、δ-N₂相、ε-N₂相、ζ-N₂相和η-N₂相; 其中η-N₂相为cg-N的前体,在131.6GPa对其进行激光加热得到了cg-N; cg-N卸压过程中发生了1次相变,其分解压力为33.8GPa; cg-N的晶体结构属于I2₁3点群,0GPa下的理论密度高达3.398g/cm³,爆热为9.58kJ/g,爆速为16.43km/s、爆压为176.45GPa。

为了探究在原子分子层次上含能低共熔物的形成机制,以甲基硝基胍(MeNQ)/硝基胍(NQ)低共熔物为模型体系,采用高精度的第一性原理计算方法结合Monte Carlo模拟技术,对其分子间相互作用和形成的分子机制进行了研究; 基于氢键形成的基本原则,构建MeNQ和NQ最可几的二聚体模型,在M062X-D3/6-311+G(d, p)水平上对其进行结构优化,得到能量最低的稳定结构; 采用更高精度的计算方法MP2/may-cc-pvtz和PWPB95-D3/ma-def2-QZVPP,得到二聚体的相互作用能,并在sSAPT0/jun-cc-pVDZ水平上对其进行能量分析。结果表明,二聚体分子间作用力的大小顺序为:MeNQ-MeNQ>MeNQ-NQ>NQ-NQ,主要吸引项为静电作用(氢键); 采用加权的Monte Carlo方法预测了MeNQ与NQ二元体系的混合能分布及Flory-Huggins相互作用参数χ_AB; 形态相似的作用能分布曲线表明MeNQ和NQ可互溶; 在模拟的100～800K温度范围内,χ_AB均为稍大于零的正值,说明该体系中分子间的附着力弱于内聚力; MeNQ和NQ为非同晶材料,且存在分子尺寸和形貌上的失配。基于原子分子层次上的结构和作用能分析可以得出,MeNQ和NQ共结晶产物应为低共熔物,而非共晶或固溶体。

为探讨石墨二炔(GDY)对环四亚甲基四硝胺(HMX)热分解特性的影响,制备了GDY/HMX(质量比1:4)含能复合物,运用差示扫描量热法(DSC)和热重-红外-质谱联用技术(TG/DTG-FTIR-MS)对比研究了HMX和GDY/HMX的热分解过程; 采用Kissinger法、FWO法、KAS法、Starink法、Kissinger-迭代法及Ozawa-迭代法计算HMX和GDY/HMX的表观活化能,并引入修正后的esták-Berggren经验方程对其热分解反应动力学模型进行重建。结果表明,GDY使HMX的表观活化能降低73.6kJ/mol。GDY/HMX复合物的热分解过程遵循n级动力学方程f(α)=3.04α^0.39(1-α)^1.17; 在GDY催化作用下,HMX热分解以C—N键断裂为主,首先释放出C₂HO和N₂O,还检测到NO、NO₂、HCN、CO、N₂、HCNO、CO₂和H₂O气体。

采用色散校正的密度泛函方法、分子动力学和Monte Carlo模拟技术,对乙酸乙酯(EA)与六硝基六氮杂异戊兹烷(ε-CL-20)晶面的微观作用机制进行研究,分析了晶面特性和EA与各晶面的相互作用。结果表明,附着能模型预测真空中ε-CL-20有6个晶面,其表面积(1 0 1)>(1 1 -1)>(1 1 0)>(1 0 -1)>(0 1 1)>(0 0 2),粗糙度(1 0 -1)>(1 1 -1)>(0 1 1)>(1 0 1)>(1 1 0)>(0 0 2)。带隙最大的两个晶面为(0 0 2)(3.522eV)和(1 0 1)(3.512eV),而(1 1 0)(3.179eV)和(1 1 -1)(3.193eV)的带隙最小。EA分子通过C—H…O弱氢键、范德华力等相互作用与ε-CL-20晶面上的活性位点结合。正的吸附热和负的吸附能表明EA分子在所有晶面上的吸附均为放热过程。EA分子通过(1 1 -1)面上的袋状空隙进入晶格,形成最厚的界面溶剂层(约10Å)和最大的结合能(291.93kJ/mol)。该晶面吸附EA分子的个数和吸附能的绝对值(86.36kJ/mol)均最大,等量吸附热最小(70.99kJ/mol)。而EA分子只能吸附在(0 0 2)平坦的表面上,形成最薄的界面溶剂层(约4Å)和最小的结合能(133.11kJ/mol)。该晶面吸附EA分子的个数和吸附能的绝对值(72.21kJ/mol)均最低,而等量吸附热最大(80.29kJ/mol),其他4个晶面介于这两个晶面之间。

为研究内相粒径对现场混装乳化炸药热感度的影响,制备了5种含不同粒径的现场混装乳化炸药基质,使用光学电子显微镜和激光粒度仪对不同转速下制备的现场混装乳化炸药基质试样的微观结构和粒径进行了观察和测试,使用爆发点测定仪测试各组炸药试样的爆发点并计算其活化能。结果表明,随着现场混装乳化炸药试样的内相粒径由13.13μm减小至3.97μm,其5s延滞期由9.96s降至3.13s,爆发点温度降低35.13K,反应活化能降低29.00kJ/mol; 炸药爆炸所需外界激发能量随内相粒径降低而降低,热感度上升,热安定性下降,在实际生产中应合理控制炸药内相粒径大小,以确保其安全生产和稳定使用、满足其爆炸性能和安定性的平衡关系。

为制备分散稳定的微米1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)喷雾干燥前驱体悬浮液,采用单因素和正交试验对微米FOX-7喷雾干燥悬浮液的制备条件进行优化,研究了悬浮液固含量、搅拌速度、搅拌时间、超声功率、超声时间和温度对前驱体悬浮液中微米FOX-7分散稳定性的影响,以沉降试验和吸光度法为表征手段考察了悬浮液的分散稳定性,并讨论了影响因素对悬浮液分散状态的影响机制。结果表明,4种影响因素对悬浮液分散稳定性影响顺序从大到小依次为:搅拌速度>超声时间>搅拌时间>超声功率; 在固含量为2%～4%、搅拌速度为600r/min、搅拌时间为20min、温度为25℃,超声功率和时间分别为300W和15min的条件下,微米FOX-7在前驱体悬浮液中可实现较好的分散稳定性。

为探究主体炸药HMX的粒度对PBX(HMX)/AP复合含能材料的热分解和激光点火性能的影响,通过溶剂-非溶剂法对原料HMX和AP进行重结晶并筛分得到不同粒径分布的HMX_R和细粒度AP_R(5～20μm),进而制备含不同HMX粒度的PBX(HMX)/AP,对所得晶体和复合物分别进行SEM、DSC、DSC-IR及热分解动力学和1064nm激光点火测试。结果表明,HMX_R和AP_R的热分解表观活化能E_a和热爆炸临界温度T_b随着晶体粒度减小而减小; PBX(HMX)/AP中,HMX_RC的粒径范围为30～140μm、d₅₀为68μm、按HMX与AP零氧平衡配比的PBX(HMX_RC)/AP热性能最优,其热分解表观活化能E_a为212.78kJ/mol,比HMX_RC降低约274.44kJ/mol; 其热爆炸临界温度为197.45℃,比HMX_RC降低约76.25℃,比AP_R降低约81.63℃; 含不同HMX粒度的PBX(HMX)/AP的点火延迟时间随着HMX粒度的减小而减小,质量燃烧速率相应增大,其中零氧平衡配比的PBX(HMX_RC)/AP的激光点火性能最佳,其激光点火延迟时间为8200ms,质量燃烧速率为0.718g/(cm²·s)。表明HMX粒度范围影响传热、传质和物质间相互作用效率,进而影响点火、传火性能; 细粒度和零氧平衡及良好的黏结复合最有利于PBX(HMX)/AP中HMX与AP的协同热分解。

制备了四水合5,5′-联四唑-1,1′-二氧锂盐［Li₂(BTO)(H₂O)₄］_n，培养了［Li₂(BTO)(H₂O)₄］_n的单晶。采用X-射线衍射仪测定了单晶结构。采用DTA/TG技术研究了［Li₂(BTO)(H₂O)₄］_n的热性能，并测试了其撞击感度和摩擦感度。结果表明，该晶体属于三斜晶系，空间群为P-1,晶体学参数为：a=0.5345(17) nm，b= 0.6363(2) nm，c= 0.830(3) nm，α=105.904（7），β=98.216（7），γ=111.516（7），V=2.4302 (13) nm³，z=2，D=1.736g/cm³。其热分解峰温为349.1℃，撞击感度为71.8cm，摩擦感度为0。

为实现硼系延期药的线性和延期网络的构筑,并研究药线形态下的延期性能,以硼、氧化铜为延期药主体装药,F2602橡胶为黏结剂,选择N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,设计了适用于微笔直写工艺的油墨配方,采用微笔直写工艺对不同硼/氧化铜油墨配方进行直写成型,并设计了简单的延期网络。使用流变仪测试了油墨的动态黏度,通过高速摄影技术测试了延期药线的线性燃速,并借助扫描电镜、X射线衍射装置表征了固体反应产物的形貌和组成。结果表明,借助微笔直写技术制备的定制化延期药线打印精度高,厚度控制在(0.90±0.03)mm,燃速的最大相对误差为5.8%,可实现6～20mm/s燃速范围内的精准调控; 当硼质量分数5%时,燃速可达20.96mm/s; 当硼质量分数为10%～30%时,燃速先从11.76mm/s平缓上升至12.91mm/s左右。之后,燃速随着硼含量的增加急速下降至6.78mm/s; 当硼质量分数为25%时,硼/氧化铜延期药线可在列间距大于5mm的延期网络中稳定燃烧。对硼/氧化铜的燃烧产物进行XRD分析说明,硼与氧化铜在硼质量分数为5%时燃烧生成Cu₂O和Cu,随着硼含量的升高,反应完全,燃烧产物为Cu。

为了快速预测聚能装药射流速度,减少数值模拟的计算成本,构建了自适应克里金模型,通过少量的数值模拟结果,对参数在一定范围内的聚能装药射流速度进行了预测。在Matlab平台中,以药型罩锥角、罩壁厚、装填炸药参数作为输入值、射流速度作为输出值,构建了自适应克里金模型,通过学习函数反复加入训练样本,直至模型收敛,实现了对测试样本射流速度的预测。为了验证所建立克里金模型的准确度,将其预测结果与数值模拟结果进行了对比。结果表明,克里金模型对聚能射流速度的预测结果与数值模拟结果之间的误差小于2%,说明所构建的自适应克里金模型能够在保证计算精度的情况下,实现在不同炸药装药、不同药型罩参数的条件下,对聚能射流速度的快速预测,该方法能够兼顾预测精度和计算成本,并提高其计算效率。

采用N-酰化法制备了氯化1-十二烷基-3-甲基咪唑鎓盐([C₁₂C₁Im]Cl),与十二烷基硫酸钠(SDS)和混酸(浓硫酸与浓硝酸体积比为3:1)在碳纳米管(CNTs)预处理和纳米氧化铜(CuO)负载两方面效果进行了对比。采用ATR-FTIR研究了[C₁₂C₁Im]Cl的分子结构; 采用SEM研究了不同预处理后的CNTs的微观形貌; 采用XPS分析了CNTs负载CuO的反应机理。结果表明,成功合成了[C₁₂C₁Im]Cl,其分子中含有一个带正电荷的咪唑鎓亲水基团,SDS含有一个带负电荷的硫酸酯基亲水基团,可分别作为阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂对CNTs进行表面预处理; 经[C₁₂C₁Im]Cl预处理后的CNTs管状清晰,管壁光滑,无团聚状态,具有优异的分散程度; CuO锚定在CNTs的缺陷位点上使得CuO稳定在CNTs表面。经[C₁₂C₁Im]Cl表面预处理后,可获得CuO质量分数为46.40%、分布状态均匀、高结合强度的CuO/CNTs燃烧催化剂。

为提高轻武器发射药燃烧渐增性和内弹道性能,采用四孔多孔发射药药型,开展了四孔发射药的静态和动态燃烧性能研究。采用密闭爆发器进行静态燃烧测试,在5.8mm弹道枪上进行了动态燃烧性能测试。结果表明,在未钝感的情况下,四孔发射药的燃烧渐增性优于球扁药和单孔发射药。对比四孔发射药,球扁发射药和单孔发射药的弹丸初速分别减小了17m/s和40m/s,烟雾透过率分别降低了18%和15%。静态和动态燃烧性能测试结果表明,四孔发射药比球扁发射药和单孔发射药有更好的燃烧渐增性和内弹道性能。