叠氮化银起爆药连续化合成芯片的设计与应用研究

针对叠氮化银(AgN3,简写为SA)起爆药合成过程对于反应溶液快速混合的要求,设计制作了连续反向旋T形微混合芯片,并采用Ansys Fluent仿真模拟软件对芯片结构及反应物流速等因素对混合效率的影响规律进行了研究,优化获得了高效微混合芯片结构。使用该芯片进行了纳米SA起爆药的连续化合成,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、差示扫描量热(DSC)研究了SA起爆药的形貌、成分结构与热性能。结果表明:当微混合芯片的通道尺寸为1 mm,对撞角度180°,反应物流速4 mL·min^(-1)以上时,可获得接近100%的混合效率。通过调节反应物流速、浓度和添加表面活性剂,可有效调控产物粒径及其分布,且反应产物主要成分为正交晶系的AgN3晶体。相较常规方法,使用微流控方法制备的SA起爆药放热峰温度由365.2℃提前到358.2℃(降低7℃),且放热量由851.6 kJ·kg^(-1)升高到976.7 kJ·kg^(-1)(升高14.7%),表明微流控方法制备的SA起爆药具有更高的反应活性和能量。

MEMS火工品设计方法探讨

针对MEMS火工品的优点和关键特征进行了梳理总结,从微结构换能元设计、微纳结构药剂设计、微含能器件设计、微起爆序列设计4个方面对MEMS火工品设计方法进行了综合阐述。最后,从构建MEMS火工品数字化设计体系、提升集成与装配工艺设计水平、增强多学科多尺度协同设计能力3个方面,陈述了对MEMS火工品设计未来发展思路的一些见解,以期为形成完善的MEMS火工品设计体系提供借鉴。

射流不稳定性对流动聚焦法制备硝化棉微球的影响

为通过微流控技术获得良好形貌特性的硝化棉微球,以硝化棉的乙酸乙酯溶液为研究对象,探究了流动聚焦微流控芯片中硝化棉/乙酸乙酯水包油液滴的生成机制,详细研究了在滴流、稳定射流、不稳定射流3种流动模式下,连续相、分散相流量以及界面张力等对微液滴生成的影响,并在3种流动模式下制备硝化棉微球。结果表明:滴流和稳定射流模式下制备的微球呈单分散、高度球形化、窄粒径分布特性;不稳定射流模式下制备的微球高度球形化,粒径分布较滴流和稳定射流下的宽。

原位反应法制备填充叠氮化铜的碳纳米管阵列

以定向碳纳米管阵列为工作电极,采用电化学沉积法制备填充纳米铜颗粒的碳纳米管阵列,研究不同电沉积参数对碳纳米管填充铜纳米颗粒的影响规律;采用气-固原位反应法获得填充叠氮化铜的碳纳米管含能阵列。采用扫描电镜、X射线衍射仪对填充叠氮化铜的碳纳米管阵列及其前驱体进行结构表征,采用差示扫描量热仪研究其热性能。结果表明:当沉积电流为1 mA和10 mA,可获得填充效果理想的填充有纳米铜的碳纳米管阵列;气固原位反应过程中碳纳米管阵列不与叠氮酸发生反应。在热板点火作用下填充叠氮化铜的碳纳米管阵列可靠起爆。采用兰利法获得其50%电发火能量为3.09 mJ。

微流控技术制备叠氮化铅起爆药及其改性

针对常规叠氮化铅(Pb(N_(3))_(2),LA,Lead Azide)制备工艺存在自爆风险等问题,采用旋T型微流控芯片提供的微通道作为微反应器,借助其分子间扩散距离短、比表面积大、连续流动等特点,在微通道反应器内制备了微纳米尺度的LA起爆药,并使用聚焦型液滴微流控芯片对制备的LA起爆药进行了球形化改性处理。研究了反应物流速、有机溶剂、晶型控制剂等因素对产物的影响,并采用SEM、XRD、DSC等手段对产物进行了表征,对比了微流LA、微球LA与常规粉末LA的感度及爆炸性能。结果表明,通过控制微流控反应参数,可有效控制LA起爆药产物粒径,且制备的LA起爆药均为α型晶体;LA起爆药经球形化改性后,显著提高了其撞击感度H_(50)(25.5 cm到12.1 cm)、降低了静电火花感度E_(50)(1.98 kV到2.97 kV)和火焰感度L_(50)(26.3 cm到16.1 cm),同时提高了爆压(升高63.6%)。基于微流控技术的LA起爆药制备和改性是一种安全高效方法,为敏感起爆药的可控制备和调控提供了新思路。

两种不同结构纳米叠氮化铜的含能特性研究

针对两种不同结构纳米叠氮化铜(三维多孔结构以及一维阵列结构)开展含能特性研究,重点研究了热性能以及电爆性能。研究结果表明:叠氮化铜的不同纳米结构影响其热性能及电爆性能。当采用镍铬换能元起爆叠氮化铜时,相比于三维多孔结构叠氮化铜,一维阵列结构叠氮化铜对热更敏感,同时可以释放出更多能量。当采用半导体桥换能元起爆叠氮化铜时,不同于三维多孔结构叠氮化铜的热引发机理,一维阵列结构叠氮化铜的50%发火电压更大,作用时间更长,引发机理为等离子引发。

MEMS平面微起爆器的原位构筑及性能

设计了一种微机电系统(MEMS)平面微起爆器并对其性能进行了研究。该微起爆器由MEMS微结构换能元和直写起爆装药两部分组成。金属微结构换能元和装药构筑在同一平面上。首先在氮化硅硅片上构造Ni/Cr微结构换能元,然后在微结构换能元的一侧刻蚀微装药腔体,微结构换能元的桥区部分构造在微装药腔体的内部。采用微控直写法,在微装药腔体内部写入一种具有多孔性质的纳米铜墨水前驱体,经过气固原位叠氮化反应后,形成叠氮化铜(Cu(N_(3))_(2))MEMS起爆器件。该微起爆器平均电阻为4Ω,作用时间为8.44μs,50%发火电压为14.29 V,发火能量为0.33 mJ,装药量平均值5.18mg,质量相对标准偏差2.6%。该微起爆器能够起爆六硝基六氮杂异伍兹烷(CL⁃20)炸药。

溶剂对微控直写含能油墨的性能影响

以CL-20作为含能油墨炸药主体,采用硝化纤维素作为粘结剂,分别以丙酮和乙酸丁酯为溶剂配制含能油墨,研究了不同溶剂对含能油墨性能的影响。所得的两种含能油墨均可流畅书写,成型后光滑、无裂纹。经SEM、XRD表征和DSC分析,乙酸丁酯为溶剂的含能油墨在致密程度、晶型稳定性及组分相容性等方面均优于溶剂为丙酮的含能油墨。对两种溶剂的含能油墨进行固化时间测定,丙酮为溶剂的含能油墨的固化时间约为45min,乙酸丁酯为溶剂的含能油墨的固化时间为180min。通过靶线法测得丙酮为溶剂的含能油墨的平均爆速为5 499m/s,乙酸丁酯为溶剂的含能油墨的平均爆速为8 971m/s。

叠氮化铜纳米线阵列反应动力学研究

以有序结构叠氮化铜纳米线阵列为研究对象,结合实验现象开展原位反应机理分析,在此基础上,首次建立了叠氮化铜纳米线阵列三维稳态气固未反应核数学模型;通过对比反应时间对叠氮化程度的影响规律,验证反应动力学模型的正确性。研究结果表明,叠氮化反应程度随反应时间增加而增加,反应时间大于15h后,反应速率减缓。反应时间与叠氮化铜纳米线阵列叠氮化程度较好地符合S型函数DoseResp模型,模拟仿真结果可为叠氮化铜纳米线阵列工艺参数优化及爆炸性能研究提供数据支撑。

水工混凝土结构裂缝成因挖掘的粗集方法研究

裂缝是水工混凝土结构常见病害之一,针对水工混凝土结构运行期的裂缝问题,应用粗集理论,结合实测资料,对裂缝产生的主要原因进行了系统地研究,提出了裂缝成因挖掘的粗集方法。

气固叠氮化反应的等温动力学研究

为研究气固叠氮化反应过程,采用等温热重(TG)法,测试叠氮化钠、硬脂酸以及铜粉混合物在120℃、130℃、140℃下的热重曲线,对气体释放及叠氮化过程进行表征,根据不同温度下的TG数据进行动力学计算,推算气固叠氮化反应的反应机理方程。研究表明:叠氮酸生成反应的机理函数为26号,Mampel Power法则,纳米铜粉叠氮化反应的机理函数为29号,反应机理为收缩球体(体积),相边界反应。本研究为气固原位叠氮化反应的过程研究提供理论和技术支撑。