为深入理解铝热剂的应用情况,首先回顾了其发展历程,以实际应用问题为导向,对铝热剂在微含能器件(如微点火器和微推进器)、含能药剂(如烟火药、推进剂及其添加剂、起爆药和炸药添加剂)、材料制备(包括材料制备与合成、材料焊接)及其他领域(如安全装置、微生物灭杀、金属热切割和油井封堵)的应用研究进行了综述,并探讨了铝热剂应用中的安全性问题(包括感度和毒性问题); 总结了当前铝热剂应用研究存在的不足,如性能优异的铝热剂种类较为单一、对新应用场景开拓不足、对铝热剂的安全性研究不够深入等问题。最后对铝热剂应用研究未来的研究方向和发展趋势进行了展望,认为未来应朝着开发新型铝热剂、拓展新的应用领域以及深入研究铝热剂应用安全性等方向发展。附参考文献124篇。

基于重氮基、亚氨基和富氮唑等正离子内盐结构,综述了近10年来单环、联环、稠环唑类等富氮唑含能内盐的合成方法和理化性能,阐明了富氮唑内盐结构的能量水平和稳定性,并对不同结构富氮唑含能内盐发展方向进行了总结:(1)重氮内盐较传统无铅绿色起爆药二硝基重氮酚(DDNP)具有更好的爆轰性能,应深度挖掘富氮唑烷基桥联与联环结构带来的热稳定性优势,探索其在耐热起爆药领域的应用潜力;(2)亚氨基-偕二硝基甲基内盐能够改善重氮盐因低键能导致的感度问题,但其热稳定性仍需进一步优化;(3)应充分发掘富氮唑正离子含能内盐结构和致爆基易于调整的特性,同时利用其与离子盐、共晶之间优势的互补,拓展含能内盐在高能钝感炸药、高能推进剂、绿色气体发生剂及耐热含能材料等领域的应用。

以氨基磺酸盐、甲醛、乙二醛为起始原料,对2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷(BCHMX)的合成工艺进行了优化,得到了无需中间体(2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷磺酸盐)提纯的高效合成工艺; 采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(¹H NMR)、核磁共振碳谱(¹³C NMR)、热重-差式扫描量热(TG-DSC)等分析测试手段对目标产物的分子组成、晶体结构、热稳定性进行了分析表征。结果表明,最优缩合工艺条件为:每摩尔氨基磺酸钾加入1.07mol甲醛、1.77mol乙二醛,以8.4mol的水作为溶剂,0.023mol的甲酸作为酸催化剂,反应时间为12h; 硝化工艺条件为:以摩尔比为1.3:1的发烟硝酸和乙酸酐为硝化体系,在40℃下进行反应。通过缩合和硝化两步反应,能够以65.29%的总收率得到纯度97.8%的2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷(BCHMX); BCHMX晶体属单斜晶系,空间群为P2(1)/c; BCHMX热分解温度为223℃。

为获得FOX-7颗粒形貌对其热性能及放气量的影响规律,首先通过原位拉曼光谱证实了FOX-7的典型相变过程; 采用差示扫描量热法(DSC)对比了原料FOX-7、重结晶FOX-7以及碾碎的重结晶FOX-7三种颗粒的转晶及热分解行为,并采用真空安定性测试比较了3种具有典型粒径及形貌差异的FOX-7的放气速率及放气量。结果表明,两种具有更多缺陷的FOX-7颗粒第一步热分解峰温度均低于重结晶样品; 当FOX-7粒径较小,会导致其在DSC曲线上β到γ相变吸热峰消失; 通过增加单次测试样品量或增加升温速率,增强相变热效应聚集,仍可观察到该相变过程; 当加热时间相同,小粒径的FOX-7放气总量大于大粒径的颗粒; 当大粒径颗粒表面具有缺陷,其放气量会更快达到最大值; 当小粒径颗粒表明无明显缺陷,其加热初期放气量较小,但随着加热时间延长,其总放气量会显著增加并最终超过大粒径颗粒; FOX-7颗粒粒径决定了总放气量,而其颗粒缺陷决定了放气速率; 苯胺类安定剂对FOX-7具有较好的放气抑制效果。

为了探索金属锆粉(Zr)与高能氧化剂复合体系的热分解以及燃烧性能,以4种含能材料(EMs)AP、CL-20、HMX、DAP-4及其Zr/EMs样品为主体,采用差示扫描量热分析、全自动量热法和自主搭建的燃烧实验系统,对样品的热分解行为、燃烧热及点火燃烧过程进行对比分析,收集部分燃烧产物进行表征; 分析了Zr/DAP-4的燃烧机理。结果表明,DAP-4的耐热性能、燃烧热释放等均优于其他EMs样品; 添加Zr后样品的燃烧热更高,E_a更低且热分解温度保持在373.8℃,燃烧性能优于纯DAP-4。相比于Zr/CL-20和Zr/HMX的热分解,Zr/DAP-4的起始分解温度和峰温更高,表观活化能E_a更低,仅为138.7kJ/mol,燃烧热高达17134J/g。从燃烧动态可知,Zr/DAP-4的全过程燃烧仅需要170ms,反应迅速且剧烈,其火焰强度优于其他3种样品。燃烧产物分析表明,Zr/DAP-4燃烧生成了ZrO₂等固体和H₂O、HCl等气体产物。综合分析,Zr/DAP-4具有更高的能量特性和更好的燃烧性能,在未来推进剂配方设计中有很大的应用潜能。

针对PBX的细观力学模型存在模型结构与真实PBX细观形貌不符、破坏行为描述不全面(仅考虑界面脱粘)、研究对象单一(大多针对PBX-9501)等问题,建立了基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型。首先,基于光学显微镜下的细观结构图,采用Voronoi方法构建了更贴近实际形貌的PBX炸药细观模型; 然后,采用内聚力有限元方法在炸药晶体内部、黏结剂内部及炸药颗粒/黏结剂界面处都引入了Cohesive单元,以在二维尺度上实现任意路径破坏行为的模拟; 最后,针对某HMX基-F2311黏结剂炸药和某HMX基-F2313黏结剂炸药标定了模型参数,模拟了这两种炸药的准静态拉伸行为。结果表明,两种炸药数值模拟的拉伸变形曲线、破坏应力、破坏应变都与试验数据吻合良好,表明该模型不仅适用于不同PBX炸药材料(线弹性PBX、非线性PBX)的变形行为描述,还可以分析PBX炸药在拉伸破坏过程中的细观机理,刻画不同PBX炸药的裂纹萌生、扩展和贯穿的过程。

为了实现凝固缺陷的快速模拟和预测,提出了一种基于条件变分自编码器(CVAE)的熔铸炸药成型缺陷预测模型; 以注液温度、冒口预热温度等工艺参数为条件,通过条件变分自编码器建立工艺参数与熔铸炸药缺陷的条件概率模型; 采用多层神经网络和变分推断方法结合进行模型训练,实现了RHT和DNP基熔铸炸药凝固成型缺陷预测。结果表明,成功构建了熔铸炸药凝固过程数值模拟的条件概率分布,实现了基于仿真数据的RHT和DNP基熔铸炸药凝固缺陷预测; 与有限元直接数值计算结果比较,CVAE算法计算缺陷位置的准确率可达到99%,计算时间小于2s; CVAE在熔铸炸药缺陷概率分布建模上具有性能高、泛化性强的特点,能有效实现熔铸炸药成型缺陷的智能预测。

为提高丁羟四组元推进剂和CL-20/GAP推进剂的力学性能,解决新的推进剂填料基体界面“脱湿”问题,设计合成了新型Schiff碱键合剂; 采用傅里叶红外光谱仪、扫描电子显微镜及万能材料拉伸机等对键合剂的键合效果和推进剂的力学性能进行了表征。结果表明,合成的新型Schiff碱键合剂包含键合剂必备官能团且在AP表面存在明显键合,新型Schiff碱键合剂有望取代有毒MAPO,可明显提高丁羟四组元推进剂的力学性能,使丁羟四组元推进剂常温拉伸强度达到0.7MPa,常温延伸率大于55%,高温延伸率大于50%,低温延伸率大于60%,并可以明显改善丁羟四组元推进剂的工艺性能; 在CL-20/GAP推进剂中,新型Schiff碱键合剂可同时提高推进剂的拉伸强度和延伸率。

通过不同拉伸速率下的单轴拉伸力学性能试验,研究了应变率与90%固含量(固体颗粒的质量分数)HTPB推进剂力学性能之间的相关性,并采用扫描电镜对拉伸断面进行了观察,分析了应变率对推进剂力学性能和破坏机制的影响。结果表明,在低应变率条件下,推进剂的应力—应变曲线出现了弧段现象; 随着应变率增加,推进剂应力—应变曲线逐渐由5段式变为4段式; 推进剂的初始模量、最大抗拉强度随应变率的增大呈现出上升趋势; 推进剂的最大延伸率随应变率增大呈现出降低趋势,在应变率为1190.48×10^-4s^-1时最大延伸率仅为33.9%; 随着应变率增大,高固含量HTPB推进剂的破坏机制逐渐由颗粒“脱湿”转变为基体撕裂,无颗粒破碎产生。