CL-20基炸药油墨设计及微笔直写成型技术研究

摘要

在微纳米尺度上，直写成型技术（Direct Ink Writing）相比传统的加工方式拥有无可比拟的优势。在含能材料领域，采用直写成型技术对 MEMS引信传爆序列进行高精度装药，具有安全、可批量沉积以及精确图形化的特点。本论文以亚微米CL-20为主体炸药，以水性聚氨酯（WPU）和乙基纤维素（EC）为粘结剂，选择合适的溶剂，组成双组份粘结剂体系，配制适用于微笔直写沉积装药工艺的炸药油墨。同时对油墨微流动挤出过程进行三维数值模拟，研究油墨挤出速度与施加压力、微笔直径和油墨粘度的关系。对微笔直写成型的油墨炸药样品的基础性能和传爆性能进行测试和表征。具体内容如下： 首先，通过机械球磨法制备亚微米CL-20炸药，利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和差示扫描量热仪（DSC）对机械球磨细化的CL-20样品的微观结构、物相和热分解性能进行了测试和表征。 其次，以WPU和EC为粘结剂，选择合适的溶剂，组成双组份粘结体系。通过测试炸药油墨的流变性能、书写性能以及装药成型样品的安全性能、装药密度和传爆特性对炸药油墨配方进行优化设计。最终确定主体炸药CL-20占成型样品固含量的90%，水性聚氨酯的浓度为10%，EC乙醇溶液的浓度为8%，聚氨酯与乙基纤维素的比例为3:2，选择水性防沉剂410（烷基芳基聚醚）以保证油墨体系的长期稳定性。 然后，通过建立三维数值模型，对油墨微流动挤出针头的过程进行数值模拟仿真，具体分析微笔直写针头出口处的油墨挤出速度与直写压力，微笔直径和油墨粘度的规律关系。通过实验得到书写药线横截面积与书写线宽的半经验公式，通过模拟得到油墨挤出的速度和流量即可计算得到特定条件下炸药油墨在基板上的书写线宽。同时，通过测试不同材质基板的表面自由能分析油墨与基板的润湿性能。 最后，对直写沉积成型的炸药油墨样品进行测试和表征。SEM结构表明成型后的炸药油墨复合材料中炸药颗粒与粘结剂分散均匀，呈三维蜂窝状结构，孔隙率较高，且随着EC含量的增加，孔隙率逐渐升高；XRD物相分析表明，成型以后的炸药油墨复合材料中CL-20保持原有晶型不变；DSC热分析表明CL-20基炸药油墨的分解峰温相比亚微米CL-20提前12-15℃以上，其表观活化能从176.06 kJ/mol升高到228.5 kJ/mol，提高29.8%，热稳定性大幅提升；传爆测试结果表明制备的炸药油墨可以在微小尺寸通道内可靠稳定传爆，其临界传爆厚度可达100μm，爆轰速度在7300m/s左右，随着装药密度的降低而有所下降。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 直写技术概述

1.3 微笔直写炸药油墨研究进展

1.4 本论文主要研究内容

2 CL-20基炸药油墨配方设计

2.1 主体炸药种类筛选与细化处理

2.2 粘结体系的选择

2.3 主体炸药含量

2.4 防沉剂

2.5 粘结剂比例

2.6 CL-20基炸药油墨方案

2.7 本章小结

3 微笔直写成型装药工艺研究

3.1 微笔直写沉积三维数值模拟

3.2 书写线宽推理

3.3 炸药油墨与基板的润湿性能

3.4 本章小结

4 CL-20基炸药油墨成型样品性能研究

4.1 微观结构

4.2 热性能性能

4.3 物相分析

4.4 爆轰速度

4.5 临界传爆厚度

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 本论文主要结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢