碳纳米材料对CL-20和HMX的降感性能研究

摘要

碳纳米材料独特的微观形貌，以及优异的机械强度、导电和导热性能，可以被用于含能材料降感研究。高能单质炸药HMX和CL-20因为高的感度和低的安全性，导致它们的实际应用受到严重阻碍。为降低高能单质炸药的感度，含能工作者们也做了一些降感实验工作，但是，将碳纳米材料应用于高能单质炸药降感的报道甚少，或者降感效果不佳。鉴于此，本论文通过对原始的碳纳米材料进行还原和硝基衍生化，来探究其对高能单质炸药HMX和CL-20的包覆降感，以期得到高能钝感的HMX和CL-20。同时也对钝感效果较好的降感配方，进行包覆降感机理研究，主要研究工作分为以下四个部分。 （1）用富勒烯C60作为原料，制备硝基富勒烯NC60衍生物钝感剂，通过水悬浮法对单质炸药HMX和CL-20进行包覆，并分析单质炸药原料和制备样品的形貌组成、感度以及热性能。结果发现，NC60可以包覆单质炸药并使其降感，当1%质量含量的NC60被添加时，可使CL-20的撞感爆炸概率降到52%，当NC60的百分含量升到3%时，则可使HMX的撞感爆炸概率降到68%，可以发现NC60对CL-20的降感效果优于对HMX的降感。同时NC60钝感剂的加入也会对HMX和CL-20的热解过程有催化作用。 （2）用石墨烯Gr作为原料，制备硝基石墨烯NG衍生物钝感剂，通过溶剂非溶剂法和溶剂挥发法分别对单质炸药HMX和CL-20进行包覆，并表征单质炸药原料和制备样品的形貌组成、感度以及热性能。结果表明，NG也可以包覆单质炸药并使其降感，添加质量分数3%的NG，可使HMX和CL-20的撞感爆炸概率分别降到16%和75%，发现NG对HMX的钝感效果优于对CL-20的钝感。除此之外，NG钝感剂的加入也会对单质炸药的热解过程有催化作用。 （3）用氧化石墨烯GO和石墨G共同作为原料，通过水合肼一步原位还原，对单质炸药HMX和CL-20进行降感研究。分析单质炸药和制备样品的形貌组成、感度以及热性能，结果表明，还原氧化石墨烯rGO和G能很好包覆单质炸药，并使炸药降感。添加2%质量分数的GO，通过还原并对单质炸药包覆，可使HMX和CL-20的撞感爆炸概率分别降到16%和40%。当同时加入1%质量含量的GO和1%的G，经过还原包覆，则可使HMX的撞感爆炸概率降到8%，摩感爆炸概率降到0%，而CL-20的撞感爆炸概率可降到0%。rGO和G对HMX的降感效果较好，要优于对CL-20的降感。同时rGO和G钝感剂的加入对单质炸药HMX和CL-20的热解作用也不同，对于HMX表现出微弱的催化，而对CL-20则会增加其稳定性。 （4）以rGO对单质炸药HMX的钝感为例，结合现有降感理论，探究rGO对HMX的降感机理。可初步推测rGO对HMX的降感符合稀释-润滑机理，即包覆在HMX晶体表面的rGO可以传导并分散外部刺激产生的热量，从而可以稀释炸药因为应力集中而产生的热量；同时rGO自身所特有的层状结构，在面临外部机械摩擦刺激时，可以很容易产生滑动，并达到很好的润滑效果。通过表面rGO的稀释和润滑作用，可以充分减少炸药产生的热点，进而实现对单质炸药HMX的钝感。

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1 绪论

1.1 含能材料简介

1.2 碳纳米材料简介

1.3 含能材料降感研究进展

1.3.1 蜡类钝感剂

1.3.2 含能钝感剂

1.3.3 碳纳米材料钝感剂

1.4 研究目的和意义

1.5 主要研究内容

2 硝基富勒烯对HMX和CL-20的包覆研究

2.1　实验部分

2.1.1　试剂与仪器

2.2 硝基富勒烯衍生物的制备及表征

2.2.1 硝基富勒烯衍生物的制备

2.2.2 结果与讨论

2.3.1 硝基富勒烯包覆HMX

2.3.2 结果与讨论

2.3.2.1 包覆样品的FT-IR表征

2.3.2.2 包覆样品的XRD表征

2.3.2.3 包覆样品的拉曼表征

2.3.2.4 包覆样品的SEM表征

2.4.1 硝基富勒烯包覆CL-20

2.4.2 结果与讨论

2.4.2.1 包覆样品的XRD表征

2.4.2.2 包覆样品的FT-IR表征

2.4.2.3 包覆样品的拉曼表征

2.4.2.4 包覆样品的SEM表征

2.5 本章小结

3 硝基石墨烯对HMX和CL-20的包覆研究

3.1　实验部分

3.1.1　试剂与仪器

3.2.1 硝基石墨烯衍生物的制备

3.2.2 结果与讨论

3.3.1 硝基石墨烯包覆HMX

3.3.2 结果与讨论

3.3.2.1 包覆样品的拉曼表征

3.3.2.2 包覆样品的FT-IR表征

3.3.2.3 包覆样品的XRD表征

3.3.2.4 包覆样品的SEM表征

3.4.1 硝基石墨烯包覆CL-20

3.4.2 结果与讨论

3.4.2.1 包覆样品的XRD表征

3.4.2.2 包覆样品的FT-IR表征

3.4.2.3 包覆样品的拉曼表征

3.4.2.4 包覆样品的SEM表征

3.5 本章小结

4 还原氧化石墨烯对HMX和CL-20的包覆研究

4.1　实验部分

4.1.1　试剂与仪器

4.2.1 还原氧化石墨烯包覆HMX

4.2.2 结果与讨论

4.2.2.1 包覆样品的SEM表征

4.2.2.2 包覆样品的XPS表征

4.2.2.3 包覆样品的拉曼表征

4.2.2.4 包覆样品的XRD表征

4.2.2.5 包覆样品的红外表征

4.3.1 还原氧化石墨烯包覆CL-20

4.3.2 结果与讨论

4.3.2.1 包覆样品的SEM表征

4.3.2.2 包覆样品的XPS表征

4.3.2.3 包覆样品的拉曼表征

4.3.2.4 包覆样品的红外表征

4.3.2.5 包覆样品的XRD表征

4.4 本章小结

5 碳纳米材料包覆HMX和CL-20样品的性能研究

5.1 碳纳米材料包覆HMX和CL-20样品的热性能研究

5.1.1 硝基富勒烯包覆HMX和CL-20样品的热性能

5.1.2 硝基石墨烯包覆HMX和CL-20样品的热性能

5.1.3 还原氧化石墨烯包覆HMX和CL-20样品的热性能

5.2 碳纳米材料包覆HMX和CL-20样品的机械感度研究

5.2.1 碳纳米材料包覆HMX样品的机械感度

5.2.2 碳纳米材料包覆CL-20样品的机械感度

5.3 包覆降感机理研究

5.4 本章小结

结 论

致　 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果