随着先进火箭与导弹技术进一步发展,现有燃烧催化剂已经无法满足推进剂技术进一步向着高能、燃气清洁以及燃烧可控方向发展的需求,体现在催化效率不够高、催化选择性差以及缺乏催化模型3个方面。而单原子催化剂具有高催化活性和选择性、高稳定性和100% 原子利用率等显著优势,将单原子催化剂引入推进剂燃烧催化领域有望突破固体推进剂燃烧性能高效、精准调控这一瓶颈问题。主要介绍了单原子催化剂的制备方法和表征技术,分析了单原子燃烧催化剂在固体推进剂领域的作用效果,指出了单原子催化剂的优势所在,进一步结合现有燃烧催化剂研究经验,预测了单原子燃烧催化剂发展趋势,分别从微观结构多样化设计与构建方面丰富单原子燃烧催化剂体系以及从分子层面认知催化反应机理,明确固体推进剂单原子催化燃烧机制。附

概括总结了含能材料的“热点”点火研究进展。首先,从含能材料点火的表观现象出发,分析了影响其“热点”点火的内部因素和外部因素,并且综述了“热点”点火的临界条件; 然后,从含能材料点火的内在机制入手,综述了几种目前公认的“热点”形成微观机制,主要对比分析了基于孔洞塌缩机制建立的几种物理模型的优缺点; 最后,提出了关于完善“热点”理论面临的重大挑战,认为建立一个多元的“热点”形成微观机制是未来的一个研究方向。同时,认为建立一个能够准确描述含能材料点火过程的多尺度多场耦合的“热点”反应速率模型是完善“热点”理论的重中之重。附

为了提高新型氮/氧杂环含能材料开发过程中晶体密度预测的精度,采用量子化学计算方法对所收集的已合成杂环含能材料,在3种不同的泛函理论下计算得到偶极矩、四极矩、极化率、最高占据轨道能量、最低空轨道能量等量化结构参数,并从PubChem数据库查到各化合物的氢键供体数、氢键受体数、可旋转键数3个参数,通过逐步回归方法,筛选出与密度关系密切的参数,分别建立多元线性回归(MLR)和反向传播(BP)神经网络模型。结果表明,3种泛函水平下,B3PW91泛函计算所得结果建立的模型优于其他两种,且BP神经网络模型较MLR模型预测杂环含能材料密度的误差更小、精度更高; 与已有方法比较可知,在B3PW91/6-31G(d,p)水平下,BP神经网络模型的平均绝对百分比误差为3.1%,相关系数为0.956,精度最好,可以精准地预测杂环含能材料的密度。

为了优化2,6-二苦氨基-3,5-二硝基吡啶(PYX)的晶体成形性,改善PYX的应用性能,采用溶剂-反溶剂法对PYX进行重结晶,确定了较优的结晶体系,探究了PYX晶体形貌和粒度分布的影响因素及规律,获得了较优的重结晶条件,分析了重结晶前后PYX的晶型结构、热性能和机械感度。结果表明,以1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂、水为反溶剂,在结晶温度65℃、搅拌速率300r/min、结晶浓度20mg/mL、反溶剂滴加速率2mL/min的结晶条件下能够制得形状规则的立方状PYX晶体,晶体长径比较重结晶前显著减小,无明显缺陷,且具有良好的表面光滑度; 通过重结晶减小了PYX的平均粒度,优化了PYX的粒度分布均匀性,重结晶后PYX的粒径(d₅₀)较重结晶前减小了49.51μm,粒径跨度(S)较重结晶前减小了0.27; 重结晶前后PYX的晶型结构未发生变化,通过重结晶能够提高PYX的热稳定性,降低PYX的机械感度,重结晶后PYX的热分解峰温和热爆炸临界温度较重结晶前分别提高了5.0℃和6.6℃,撞击感度和摩擦感度较重结晶前分别降低了20%和16%。

为了得到高能钝感炸药,采用机械球磨法制备了2种六硝基芪(HNS)基复合炸药; 通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和差热分析仪(DTA)对样品的形貌、晶体结构和热性能进行了表征,计算了其热分解动力学参数并测试了其机械感度; 采用EXPLO5软件计算了其爆轰参数。结果表明,球磨后复合炸药微粒的表观形貌呈类球形,颗粒大小符合正态分布,晶型保持稳定,HNS/CL-20复合微粒的活化能较原料CL-20和HNS分别提高了37.71kJ/mol和60.05kJ/mol,说明HNS/CL-20复合微粒具有更高的热稳定性; 机械球磨法制备的HNS/CL-20和HNS/HMX复合微粒的临界撞击能量较原料CL-20和HMX分别提高了1.75J和0.25J,临界摩擦能量较原料CL-20和HMX分别提高了96N和180N,表明摩擦感度明显降低。

为提高CL-20在混合炸药中的应用性能,研究了CL-20基混合炸药在高速破片撞击下的安全性,制备了CL-20与端羟基聚丁二烯质量比为87:13的浇注CL-20基炸药试样(GW炸药); 采用静爆试验和高速破片撞击试验方法,获取了浇注CL-20基混合炸药在高速破片撞击下的安全性反应等级; 通过分析对比静爆试验和高速破片撞击试验的超压数据、影像资料和见证板的破坏情况,综合判断GW炸药试样在高速破片撞击下的反应等级,得到破片撞击速度和破片撞击质量对GW炸药试样的撞击安全性的影响。静爆试验结果表明,GW炸药具有良好的破片驱动能力,测得壳体破片速度为1435m/s,4m处的超压均值为0.09MPa。高速破片撞击试验结果表明,GW炸药在破片质量为16g的高速撞击条件下发生燃烧反应,具有良好的安全性; 在破片质量为50g、速度为1412m/s的撞击条件下发生爆轰反应,证明GW炸药试样在大质量破片高速撞击的刺激下炸药响应剧烈。

为研究土壤中装药埋深对地表空气冲击波传播规律的影响,开展了5kg TNT的触地爆炸试验以及埋深分别为0.108、0.228、0.85m的爆炸试验,获得了多个比例距离处的冲击波峰值压力、冲量以及正压作用时间数据,分析了埋深对冲击波传播特性的影响。结果表明,冲击波峰值压力和冲量随着埋深的增加而减小,随着爆距的增大而减小; 触地爆炸比例距离为4的测点处其峰值压力是比例距离为1处的3.24%,埋深为0.108m的爆炸试验比例距离为4处的测点其峰值压力是比例距离为1处的25.02%; 埋深为0.108m时,比例距离为1处的峰值压力和冲量分别是触地爆炸对应值的8.7%和20.4%; 并对两种工况的正压作用时间进行了分析,触地爆炸的正压作用时间随爆心距增加呈指数增加,埋深为0.85m的爆炸试验其正压作用时间呈对数增加。通过对试验数据的进一步分析,建立了冲击波峰值压力、冲量与埋深、比例距离的工程计算模型,可用于浅埋爆炸时弹药威力评价与毁伤效能预估。

针对含不同粒度环三亚甲基三硝胺(RDX)的叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)推进剂,利用分离式霍普金森压杆装置开展高应变率(1000～6000s^-1)动态冲击实验,同时结合高速摄影和数字全息光学测量技术,采用3台高速摄像机同步观测推进剂在撞击条件下损伤演化、点火响应和能量增长过程。结果表明,GAP基推进剂在高应变率压缩下的强度极限较PET基推进剂最大提升了一倍,弹性模量在不同应变率下均提升了一倍以上; 中等粒度RDX较粗粒度RDX推进剂的强度极限最大提升了80%,弹性模量最大提升了148%; 此外,GAP基推进剂较PET基推进剂、粗粒度较中粒度推进剂在高应变率压缩条件下更易点火,但中粒度推进剂的燃烧反应较粗粒度更加剧烈和完全。

为研究CL-20粒度对CL-20基光固化发射药的热分解和燃烧性能的影响,采用挤出3D打印技术制备了包含粒径分别为24、56和152μm的CL-20颗粒的光固化发射药; 采用非等温DSC(差示扫描量热法)方法研究了3D打印发射药的热分解行为; 同时采用改进的Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)方法计算了光固化发射药的分解活化能。光固化发射药热分解结果表明,CL-20基发射药均呈两步分解过程,其中受到黏结剂影响导致CL-20晶体质量降低引起了CL-20的加速分解反应,与纯CL-20相比,CL-20/PUA(聚氨酯丙烯酸酯)复合物的临界自发火温度(T_pe)降低了约27℃。而CL-20粒径对发射药热分解的影响结果表明,由于细CL-20的比表面积较大导致其受黏结剂的影响更大,因此含较细CL-20颗粒的发射药样品活化能和临界自发火温度更低。定容燃烧结果表明,含细CL-20的发射药具有较高的燃烧速率和较低的压力指数。因此,建议在3D打印的光固化发射药中使用粒度较细的CL-20。

为探究药粒冲击破碎现象对埋头弹火炮发射过程产生的影响,忽略火药药粒的差异性与不一致性,根据火药冲击挤压破碎机理,提出一种新的与火药形状相关的理论方法,利用火药形状参数变化模拟药粒破碎过程; 埋头弹一维两相流仿真研究中应用此药粒破碎模型,预测发射药粒破碎在点传火过程中对埋头弹内弹道性能的影响,完善埋头弹火炮独特的装药结构以及点火理论基础,增强其发射安全性。通过仿真火药颗粒未发生破碎与发生破碎的模拟结果比较表明,在埋头弹火炮点火异常下,发射过程中膛内局部药粒冲击破碎会使得挤压应力飙升, 最大值从25.7MPa升至35.1MPa,上升了36.6%; 火药燃面比例显著增大, 破碎度最高达5.8; 膛压猛增并有可能产生异常压力,最大膛底压力和最大弹底压力分别是未破碎的1.069倍及1.047倍; 易引发大振幅的压力波以及波动剧烈的压力波,压力波最大负峰值从-2.6MPa降至-11.0MPa; 膛内气固两相运动更为复杂多变,炮口初速由1146m/s增至1163m/s。