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。

叠氮化铜驱动飞片起爆HNS-IV的研究

针对以叠氮化铜微装药为基础的MEMS起爆传爆序列,利用数值模拟的方法研究起爆序列结构对起爆性能的影响。研究结果表明:飞片的剪切形状与文献结果相符。在装药直径一定的情况下,随着装药厚度的增加,飞片速度增加;当装药厚度为0.5mm、装药直径大于0.7mm时,增加装药直径不能进一步增加飞片速度;当叠氮化铜的尺寸为Φ0.7mm×0.5mm、加速膛长度为0.56mm时,系统能够起爆HNS-IV炸药。利用文献数据拟合得到了HNS-IV炸药的冲击起爆判据,模拟结果符合HNS-IV的冲击起爆判据。

叠氮化铜JWL状态方程参数拟合

采用电探针法测定了叠氮化铜微装药尺寸下的爆轰速度,根据叠氮化铜的密度和测定的爆轰速度,运用γ律状态方程拟合出了JWL状态方程参数。将拟合出的JWL状态方程参数用于动力学数值模拟程序LS-DYNA中,数值模拟叠氮化铜爆轰驱动飞片的作用过程,并将数值模拟与实验数据对比。结果显示,拟合出的JWL状态方程参数具有较高的精度,数值模拟结果与实验值相吻合,偏差在5%以内,拟合参数能够满足计算爆炸力学的应用要求。

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。

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。

三维多孔微纳米结构叠氮化铜的原位合成及表征

采用气-固原位合成技术，通过多孔铜与叠氮酸（HN3）反应制备了叠氮化铜（Cu（N3）2），用氢气泡动态模板法制备了三维多孔铜。用场发射扫描电镜（FESEM）及X射线衍射（XRD）表征了多孔铜和叠氮化铜的形貌、组成和结构，采用TG-DTG和DSC分析了Cu（N3）2的热分解特性。结果表明，多孔铜与 HN3反应首先生成叠氮化亚铜（CuN3），之后生成 Cu（N3）2。Cu（N3）2为结晶良好的斜方晶系，其晶枝长度约为500 nm。在178～240℃，Cu （N3）2有较强的放热峰，热分解反应的峰温为216℃，放热量为3116．86J／g，并放出氮气，失重约56．27％，与理论质量损失接近。

叠氮化铜微装药爆轰驱动飞片的数值模拟

为了优化叠氮化铜微装药器件的设计,探究叠氮化铜爆轰驱动飞片的作用原理,根据微装药器件的实际设计和相关实验,采用ANSYS/LS-DYNA流固耦合算法对叠氮化铜爆轰驱动飞片的作用过程作了数值模拟。具体研究了加速膛长度对飞片的平整性和完整性的影响,分析了微装药的尺寸与飞片速度之间的关系。研究结果表明:加速膛的长度对飞片的完整性、平整性和速度具有重要影响,在过长的加速膛中飞片飞行时易发生破碎,加速膛过短飞片的驱动速度不能达到最佳。装药尺寸与飞片速度之间关系密切,装药直径对飞片速度的前期成长影响不大,但对飞片获得的最大速度却有较为明显的影响;装药的直径大于0.8mm时,增加装药直径并不能使飞片的最大速度明显增加。

叠氮化铜含能材料研究进展

新型含能器件微型化、芯片化、集成化、智能化的发展趋势对火工药剂提出了更高的要求,含铅类起爆药的毒性问题也日益引发担忧。长期以来受制于较高的敏感性而未被广泛实际应用的叠氮化铜,由于其绿色高能的特性,近年来愈发引起研究者的兴趣。从叠氮化铜的晶体结构理论研究、合成方法、复合含能材料的设计与制备以及它在微型装药中的实际应用等方面,对叠氮化铜含能材料的研究进展进行了总结。在此基础上,讨论了实现其应用前景的关键点:从理论上更深入地掌握其晶体结构与反应释能之间的内在关系;通过构建新型复合含能体系弥补其过于敏感的缺陷的同时,发挥其高能量密度的优势;通过实验和仿真更系统地了解其性能参数;开发先进的合成方法和装药技术以满足微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)火工品对含能材料精密可靠装药方式提出的要求。

填充叠氮化铜的碳纳米管纳米材料的制备研究

首先采用电化学沉积法在碳纳米管中沉积铜,再利用叠氮化反应制备填充叠氮化铜的碳纳米管纳米材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和X射线能谱(EDS)对样品的微观形貌和晶体结构进行表征。结果表明,利用电化学沉积方法在定向碳纳米管中空管腔内合成了针状纳米枝晶铜,非连续的枝晶结构有利于后续的气固叠氮化反应,最终制备得到填充叠氮化铜晶体的碳纳米管纳米材料。

低静电感度叠氮化铜起爆薄膜的制备及其性能

叠氮化铜的高静电感度限制了其实际应用,碳纤维作为框架材料可以有效降低其静电安全性。以便宜易得的乙酸铜为原料,利用静电纺丝技术,通过碳化、叠氮化制备了碳基叠氮化铜起爆薄膜。制备的叠氮化铜复合薄膜具有一定的柔性,叠氮化铜纳米片均匀生长在碳纤维表面,碳纤维优异的导电性能可以降低其静电感度。通过扫描电镜、红外光谱、X射线衍射仪、比表面积测试和热重分析等对前驱体、碳化中间体和叠氮化铜薄膜都进行了详细的表征。测试结果表明:由于碳纤维优异的导电、导热性能,制备的叠氮化铜起爆薄膜的静电感度降低至1.2 mJ、火焰感度提高至45 cm;0.65 mg叠氮化铜起爆薄膜在33μF电容放电条件下,10 V以上电压就可以成功发火,并将铅板炸出凹痕。

内嵌叠氮化铜碳纳米管复合含能材料的制备与表征

叠氮化铜是一种绿色环保的高能含能材料,其极高的静电感度限制了它在MEMS火工品微型装药中的应用。碳纳米管优异的导电性可以有效地降低叠氮化铜的静电感度,而且取向一致、高机械强度的碳纳米管可以有效地提高叠氮化铜的安全性和爆轰输出能量。本文中,设计并制备了基于硅基底及多孔氧化铝模板的内嵌叠氮化铜碳纳米管复合含能材料,探究了合适的制备条件,并对样品进行了表征分析。结果表明:在氧化电压45V、沉积电流密度0.1mA/cm^2条件下制备的复合材料,经72h叠氮化反应后得到的内嵌叠氮化铜碳纳米管复合含能材料在静电感度仪测试范围(≤25kV)内均未发火,有望作为一种新型含能装药应用于MEMS器件中。

金属有机骨架材料孔径对原位合成叠氮化铜-碳复合起爆药的影响规律

原位合成是解决微小火工品装药问题的关键技术。为探究金属有机骨架材料孔径对原位合成叠氮化铜的影响,采用普通溶液法制备得到3种不同孔径的含铜金属有机骨架化合物,在高温碳化后进行叠氮化反应,最终得到叠氮化铜-碳复合起爆药。利用氮气吸附脱、扫描电镜、粉末X射线衍射以及差示扫描量热法等表征手段,对各阶段产物进行测试分析。结果表明:孔径大小会影响到骨架中铜的叠氮化程度,孔径越大,叠氮化反应越充分。

铜叠氮化物微装药的激光二极管点火特性研究

为有效提高铜叠氮化物使用的安全性,对原位合成铜叠氮化物微装药的激光二极管点火特性进行了研究,对不同铜转化率的铜叠氮化物微装药在不同功率密度下的激光点火能量进行了测试,并拟合其激光点火判据。研究结果表明:相比纯叠氮化铜,原位合成的铜叠氮化物中由于存在未反应纳米铜核,激光点火能量明显降低,最低可达到20μJ以下;叠氮化反应铜的转化率越高,铜叠氮化物微装药的激光点火感度越高;在激光功率密度大于4.0W·mm^(-2)时,铜叠氮化物微装药可控制在50μs以内点火;试验获得的铜叠氮化物的James形式的起爆判据为2.62/q+16.4/E=1。

Cu(N_3)_2及其复合结构的分子动力学模拟

采用Material Studio程序构建叠氮化铜Cu(N_3)_2、Cu(N_3)_2/C和Cu(N_3)_2/Si的超晶胞结构,以及Cu(N_3)_2/石墨烯的计算模型,用分子动力学方法对其力学性能进行计算。结果表明:Cu(N_3)_2及其复合结构各自的弹性系数区别较大,均表现出明显的各向异性,且Cu(N_3)_2/石墨烯的弹性系数明显不同于其它3者;复合结构Cu(N_3)_2/C、Cu(N_3)_2/Si和Cu(N_3)_2/石墨烯均具有良好的延展性;体积模量数值表明,加入C和Si使得Cu(N_3)_2断裂强度变化不明显,但石墨烯复合使得Cu(N_3)_2的断裂强度大幅度减小。

起爆药研究最新进展

叠氮化铅和斯蒂芬酸铅作为最常用的起爆药,在军事和民用方面具有广泛应用,但对环境和人体有严重危害。因此,开发新型绿色起爆药是重要的发展趋势。本研究围绕四唑、呋咱、稠环、配位化合物、叠氮化铜以及纳米铝热剂六类新型起爆药的合成和性能等进行了综述,分析了六类起爆药的优点以及存在的问题:四唑类爆轰性能优异但安全性能较低;呋咱类具有较高的密度,同时氧平衡较好;稠环类化合物的热稳定性高感度低,安全性好;配位化合物通过改变金属离子,配体以及阴离子能够实现感度与能量的调控;叠氮化铜起爆能力很强,但静电感度极高;纳米铝热剂能量密度高,合成简单,绿色环保,但难以实现快速燃烧转爆轰;除叠氮化铜和纳米铝热剂外,其余四类起爆药合成工艺复杂,产率较低。因此,在确保起爆能力强的前提下,降低感度和简化工艺是起爆药下一步工作的重点。

PDA@Cu(N3)2核壳结构起爆药的制备及表征

为了降低叠氮化铜的感度,扩展其在火工品中的应用,以水为溶剂合成了纳米叠氮化铜,再采用原位反应的方法在叠氮化铜表面包覆聚多巴胺(PDA),获得具有不同PDA含量的PDA@Cu(N3)2核壳结构起爆药。利用X-射线衍射(XRD)和FT-IR表征了不同PDA用量时PDA@Cu(N3)2的结构;采用扫描电镜研究了PDA@Cu(N3)2的形貌和尺寸,并利用能谱和XPS分析了元素组成;此外,利用DSC研究了PDA@Cu(N3)2的热分解行为。结果表明:随多巴胺用量的增加,PDA@Cu(N3)2的X-射线衍射峰强度发生改变,叠氮基团的特征红外吸收峰强度呈现逐渐降低的趋势;所得叠氮化铜主要为粒径数百纳米的片状结构,其中还有粒径几十纳米的颗粒,但都有明显棱角;PDA@Cu(N3)2的热分解温度随多巴胺用量的增加略有提高。

无毒底缘发火击发药

本文介绍了一种新的无铅底缘发火击发药，它使用了叠氮化铜这一高敏感度的化学物质来替代斯蒂酚酸铅作击发药。当将叠氮化铜与精心挑选出来的硝化棉、特曲拉辛、玻璃细料以及粘合剂－通常是黄著树胶－按正确的比例混合后，就会产生敏感度、稳定度和不吸水性均能满足要求的常规工业底缘发火弹药用击发药。特曲拉辛在这里不是作为敏化物而是发火助剂。各成份最佳重量百分比的范围是10－36％的叠氮化铜，5－10％的特曲拉辛，15－30％的硝化棉，20－50％的玻璃，1－2％的合适的树胶。