微反应技术在含能材料制备中的应用研究

介绍了硝基芳烃、硝酸酯、硝胺及其他类含能材料的微反应合成,对现有的单质含能材料的微反应合成工艺进行分类叙述,点明了微反应技术可以显著提高产物收率和选择性、减少反应时间以及增加传质和传热效率等优势,并对微反应合成中的堵塞等焦点问题进行了分析;同时阐述了微反应技术在微纳米含能材料制备及复合含能材料制备中的应用,突出了微反应技术在含能材料粒径、形貌调控及连续化制备等方面的优势,并对现有的技术难点进行了总结,对未来的研究方向进行了展望。指出将微反应技术与数值模拟相结合进行反应及传热结构优化设计、探索反应机理,是微反应技术在含能材料制备领域的重要研究方向。附参考文献80篇。

基于半导体桥和含能材料的信息储存介质自毁模块研究

针对高安全等级信息储存介质硬件层面的防护,开展了基于半导体桥(SCB)和含能材料的低驱动能量自毁模块的研究.建立了SCB等离子体发火、能量传递、含能材料点火的数学模型并完成了理论计算,利用COMSOL搭建SCB多物理场仿真模型并校核其性能,搭建了试验平台并进行SCB与含能材料发火性能测试的试验.仿真和试验结果表明:含能自毁模块具有优良的发火性能,能在5 V充电电压的激励下,起爆SCB桥区并使桥区温度能在18μs内达到2700 K,从而激发0.43 mg叠氮化铜在50μs内起爆产生爆轰波.含能自毁模块能够完成能量的传递并摧毁目标信息储存介质,有效避免信息储存介质关键信息被窃取,保证了信息储存介质的安全性.

含能材料连续流通道式制备专刊序言

含能材料是武器装备的威力源和动力源,是实现远程打击、高效毁伤的关键材料,其安全、高效制备是国防工业发展的基础。然而,含能材料具有易燃易爆的特性,且其制备通常包含强放热的硝化、氧化等反应过程,因此传统的大在线量间歇釜式生产存在较大的安全风险。连续流动化学技术是在通道内进行连续流动反应的技术,该技术具有热质传递效率高、在线物料量小、连续化、易放大、产品质量一致性高等特点,近年来受到了广泛的关注和研究,已经应用于精细化工品(如农药、医药)的研制和生产。另外,通过对通道结构和尺寸的合理调控,该技术还可用于纳米粒子的制备。基于连续流通道式合成技术的特点,利用该技术进行含能材料的制备具有传统釜式不可比拟的优势,一方面能够极大地降低物料的在线量,另一方面能够提高热质传递效率,避免热失控等安全风险。

含能材料通道式连续合成与安全评价

随着现代科技的高速发展,世界各国对高性能含能材料的需求越来越大。由于含能材料在生产过程涉及硝化等反应单元,而传统釜式反应器由于热质传递速率的限制,存在合成过程可控性差、效率低、危险性高等问题,极大地限制了高性能含能材料的应用和发展,也制约了国防技术快速高质量的发展。因此,化工过程技术和装备的自主创新是突破高性能含能材料等高端化学品制造短板的迫切需要。

含能材料通道式制备技术的发展思考

通道式制备技术具有高效的混合和传递性能、反应空间小、模块化结构、并行放大,可有效提高反应过程安全性和过程的精准调控,实现连续安全生产等优点,其应用领域正在从精细化工、医药等逐渐拓展至含能材料领域,可有效解决传统间歇反应模式中所存在的合成过程可控性差、效率低、危险性高、工程放大难等问题。目前,通道式制备技术已实现了多种含能材料的合成、结晶及包覆过程,从而开启了含能材料制备模式的革新时代。

六元氮杂芳环构建方法及含能材料合成研究

综述了吡啶,哒嗪、嘧啶、吡嗪环、三嗪以及四嗪等六元氮杂芳环骨架构建方法,探讨了相应的六元氮杂芳环环化反应机理,概述了典型含能材料的物化与爆轰性能;重点从合成角度总结了缩合反应与环加成反应在构建六元氮杂芳环结构中的应用,讨论了在相应氮原子中心位点实现氮氧化或氮氨化反应的方式。其中,六元氮杂芳环氮氧化片段的引入主要包括两类途径:一是以氧化剂与氮杂芳环中氮原子中心发生反应,形成N-氧化物片段;另一类是利用环化反应,将相应的氮氧双键等结构转化为N-氧化物片段。附参考文献91篇。

先进光学诊断技术在含能材料燃烧测试中的应用进展

依据不同光学原理,从光散射、光学发射与吸收和成像三方面综述了激光诱导荧光(LIF)、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)、粒子成像测速(PIV)、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)、激光诱导击穿光谱(LIBS)、辐射法、遥感傅里叶变换红外光谱(RS-FTIR)及纹影法等光学诊断技术测试原理及在含能材料燃烧测试中的应用进展;分析了光学诊断技术在燃烧测试中相比于其他传统接触式诊断方法的优越性和各类光学诊断方法的适用性、测量对象及优缺点;展望了微观燃烧产物、火焰温度、燃烧流场速度和火焰结构等测试技术在含能材料燃烧诊断中的发展前景;指出今后的工作应向多诊断方法相结合,发展多维度测量,从而获取更丰富多维的微观数据信息。附参考文献102篇。

钨含量对氟聚物基含能材料放热反应与燃烧性能的影响

为了探索钨对氟聚物基含能材料放热反应与燃烧性能的影响,采用双重球磨混料工艺制备了不同钨含量的氟聚物基含能材料,借助SEM和XRD表征了含能材料燃烧反应前后的微观结构;用氧弹量热仪和同步热分析仪(TG-DSC)分析了含能材料放热反应的释能密度和反应机理,并利用高速热成像相机对含能材料的燃烧特性进行评价。结果表明,随着钨质量分数由0增至30%,氟聚物基含能材料的放热反应释能密度由3690 J/g降至2695 J/g,燃烧速率从40.5 mm/s降至19.6 mm/s;不加钨时,含能材料燃烧火焰的温度最低;随着钨含量增加,火焰温度先显著升高然后缓慢降低;这是由于钨的加入减缓了Al与PTFE放热反应的热量传递,推迟了Al与Fe_(2)O_(3)的放热反应进程。加入钨后生成W_(2)C的反应造成了更多放热反应累积叠加,使氟聚物基含能材料产生更剧烈的燃烧反应过程和更高的火焰温度。

复合结构对微纳金属粉/单质硝胺炸药复合含能材料性能影响的研究进展

为了研究微纳米金属粉对单质硝胺炸药性能的影响和机理,总结了微纳米金属粉与单质硝胺炸药不同复合方式(如机械混合、核-壳包覆、金属嵌入和其他复合方式)下不同的微纳米金属粉对不同单质硝胺炸药的作用;分析了复合含能材料中金属粉粒径和含量等变化对不同单质硝胺炸药热分解特性和感度性能的影响;讨论了微纳米金属粉与单质硝胺炸药不同复合方式和制备方法对复合含能材料性能的影响。最后建议复合含能材料今后的研究重点为:拓展新的微纳米金属粉进行研究;深化微纳米金属粉与单质硝铵炸药之间的相互作用;研究新的含能材料复合结构;综合机器学习设计筛选新型复合含能材料和开拓含能复合材料工程方面应用的研究。附参考文献103篇。

微反应器在含能材料合成中的应用及展望

目前传统的间歇制备过程由于受制于宏观尺度难以对工艺参数、产物结构及性能实现精准调控,导致产物的均一性差,制备过程存在显著的安全隐患。因此,如何实现含能材料的安全、可控和高效的制备已成为目前研究的热点。微反应器以其微型化、集成化、高度安全性和出色的传质传热效率等诸多优势,高度契合含能材料制备过程的需求。因此,微反应器技术逐渐引起了研究者的广泛关注,在含能材料制备中崭露头角。本文介绍了微反应器在危险化工合成过程及含能材料制备中应用的国内外研究进展,特别关注了其在单质含能材料和复合含能材料制备中的潜在应用,对未来的研究方向进行了展望,强调了未来微反应器技术领域的发展需求包括规模化生产、三废处理及智能化平台建设等。

锥形双螺杆加工含能材料熔融过程数值模拟

螺杆挤出机是连续加工含能材料的一种重要设备,药料经过挤出机的加热和剪切作用能顺利熔融并进一步塑化。通过网格无关分析得出网格数量大于126万后,GCI(网格收敛指数)小于3%且最大压力变化幅度较小,确定采用网格数为1261205的网格进行模拟。首次使用FLUENT中的Solidification&Melting模型对锥形双螺杆挤出机加工含能材料的熔融过程进行模拟,得到熔融段熔体分数、流动速度和温度等参数;基于质量守恒定律模拟分析锥形双螺杆挤出机中药料熔融过程的压力变化。在此基础上,通过改变螺杆转速、机筒温度和螺杆温度,分析了工艺参数对熔融过程的影响;通过改变螺杆的槽深、导程和法向螺棱宽度,分析螺杆结构对熔融过程的影响。

含能材料桌面式在线分析检测系统的研究

为了能对含能材料结晶过程中重要参数实现原位在线检测,设计并构建了能够实现多种检测功能的微流控结晶过程在线检测系统(MCPMS)。该系统集成了在线光谱仪、激光器、工业电感耦合元件图像传感器相机与激光粒度仪等多种在线检测装置,可对微反应器的混合效果、炸药结晶关键过程参数(晶体溶解度、介稳区宽度等)以及含能材料晶体形貌等多个重要因素与性能进行分析检测。利用该系统分析了混沌对流微混合器的混合过程,表征了共轴聚焦流微混合器的混合强度。以六硝基茋(HNS)炸药为例,基于涡流微混合器测定了HNS的结晶热力学与动力学参数;基于测定的粒径分布数据研究了HNS基高聚物黏结炸药的晶体生长动力学;基于微筛孔混合器分析了延期药常用氧化剂铬酸钡的晶体厚度与光学性质间的联系。该系统具备良好的功能性与实用性。

含能材料5s延滞期爆发点自动测试装置的研制

目的:针对含能材料爆发点实验过程危险、手动实验一致性较差的问题,本研究根据爆发点测试原理及方法,设计了一种爆发点自动测试装置。方法:以ARM微控制器为核心,采用前馈散热功率补偿的PID算法进行加热炉温度控制,通过自动进样模块、中长距离数据传输模块实现了人机隔离,同时开发了基于LabVIEW的上位机软件,实现了爆发点参数的自动计算。结果:为了验证测试装置的可行性,对3,6-二肼基-1,2,4,5-四嗪进行爆发点测试。实验结果表明,该爆发点测试装置多次重复实验标准差小于0.61 s,具有较高的一致性;爆发点参数为184℃与文献报道基本一致。结论:本爆发点测试仪实现了含能材料爆发点参数准确度的全自动获取,并且在一定程度上保障了实验人员的安全。

碳纳米材料对含能材料降感研究进展

为了充分利用碳纳米材料的性能优势,本文总结了碳纳米材料对含能材料降感的研究进展。分析了典型碳纳米材料,如石墨、碳纳米管、石墨烯及其衍生物和富勒烯及其衍生物对降低含能材料撞击感度、冲击波感度和摩擦感度的作用,并探讨了不同碳纳米材料的降感机制。最后对碳纳米材料在该领域的发展前景进行了展望,认为优化碳纳米材料与含能材料的复合材料制备工艺、深入理解碳纳米材料性质并进行功能化修饰、调控碳纳米材料与含能材料的界面相互作用以及进一步探究碳纳米材料的降感机制将是今后研究的重点工作。

微反应技术在含能材料连续安全合成中的应用与发展

含能材料广泛应用于兵器工业、航空航天及民用建设等领域。其合成过程复杂、危险性高,传统釜式反应工艺难以满足产品质量和过程安全控制的要求。微反应技术具有热质传递速率高和安全性好等优点,在含能材料领域具有广阔的发展前景。为此,本文从微反应技术基本原理、含能化合物合成、含能颗粒材料制备和超声微反应器四方面展开综述,基于化学工程视角,阐释微化工技术在含能材料领域的应用特点。同时,总结并展望了技术领域的研究难点与未来发展方向,包括反应动力学/热力学、高黏/含固流体混合强化、反应放大与智能系统、三废处理及如何与人工智能等新兴学科结合等问题。

奇特氟效应:一个有效构筑不敏感含能材料的重要因素

研究设计、合成并表征了化合物5,7-二(三氟甲基)-2-(二硝甲基)-[1,2,4]三唑[1,5-a]嘧啶(1)。采用差示扫描量热仪、高斯03及EXPLO5 v6.05软件分别测试或计算了其热性能、生成焓和爆轰性能,并通过Hirschfeld表面分析、2D指纹图谱、静电势(ESP)对化合物1和已报道的偕二硝甲基含能化合物进行了对比研究。结果表明,化合物1具有较低的机械感度,其撞击感度>40 J,摩擦感度>360 N,这与已报道的CHON型偕二硝甲基含能化合物的敏感性有很大不同。单晶堆积及分子间作用力的计算结果表明化合物1中的卤键(C—F…X)能够有效打断分子之间O…O相互作用的生成。此外,由于三氟甲基的存在,化合物1展示出较为优越的静电势值和静电势偏移值,从而使其比其它偕二硝甲基含能化合物更加稳定。

高氮含能材料H_(4)TTP合成工艺优化

为了寻求新型高氮含能材料,以2,3-二氨基-2-丁烯二腈(DAMN)为原料,经过氧化缩合、叠氮反应两步法合成了2,3,5,6-四(1H-四唑-5-基)吡嗪(H_(4)TTP);通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振、质谱、元素分析对H_(4)TTP进行了表征。在原工艺基础上,以添加稳定剂四丁基溴化铵(TBAB)、改变最终酸度值的方法对原工艺进行改进,在单因素试验基础上,以H_(4)TTP的得率为响应值,用响应面法优化其反应条件,研究了反应温度、反应时间、吡嗪四腈(TCP)与叠氮化钠(NaN_(3))的摩尔比3个因素对叠氮反应的影响,建立了H_(4)TTP的得率与3个相关因素的回归方程,所得模型的R^(2)值为0.9992,证明该回归方程高度拟合。结果表明,叠氮反应较佳工艺条件为:以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,TBAB为稳定剂,2,3,5,6-吡嗪四腈(TCP)与叠氮化钠的摩尔比为1∶4.4,反应温度124℃,反应时间42h、搅拌速率400r/min,H_(4)TTP的得率为89.73%,与模型预测值90.61%基本相符,进一步验证了所选模型的合理性。与原工艺相比,工艺优化后的目标产物H_(4)TTP得率提高7%左右。

分子钙钛矿含能材料DAP-4对固体推进剂能量性能的影响

利用NASA–CEA2软件,在标准条件下,分别计算了含DAP–4((C_(6)H_(14)N_(2))[NH_(4)(ClO_(4))_(3)])的HTPB(端羟基聚丁二烯)推进剂、GAP(聚叠氮缩水甘油醚)推进剂、CMDB(复合改性双基)推进剂和NEPE(硝酸酯增塑聚醚)推进剂的能量性能;重点研究了以DAP–4分别替代RDX(黑索今)、HMX(奥克托今)、CL–20(六硝基六氮杂异伍兹烷)、TKX–50(5,5'–联四唑–1,1'–二氧二羟胺)后推进剂能量的变化趋势;对比了4种含DAP–4推进剂的能量性能。结果表明,当推进剂配方中添加DAP–4后,其标准比冲(I_(sp))和特征速度(C^(*))呈线性趋势增加。特别是当配方中只含DAP–4高能填料时,HTPB、GAP、CMDB、NEPE推进剂的I_(sp)分别达到了2617.5、2688.4、2679.4、2708.7N·s/kg,C^(*)分别达到了1604.1、1634.7、1639.1、1654.7m/s,高于目前已知固体推进剂的比冲和特征速度。同时给出了推进剂燃烧温度和燃烧产物平均分子量的数据,通过分析这2个参数的变化,部分解释了添加DAP–4后推进剂I_(sp)和C^(*)的变化机制,为DAP–4在固体推进剂中的应用提供参考。

晶态含能材料[Sm_(4)(Hdtztp)_(2)O(OH)_(4)(H_(2)O)_(7)]·DMF·2H_(2)O的合成及性质

含能材料的合成过程复杂、危险性高,为探索安全性能更好的含能材料,采用溶剂热法以2,5-双(四唑)对苯二甲酸(H4dtztp)为前驱配体,与硝酸钐反应制备得到晶态含能化合物[Sm_(4)(Hdtztp)_(2)O(OH)_(4)(H_(2)O)_(7)]·DMF·2H_(2)O,运用元素分析、红外光谱和X射线粉末衍射等表征手段对其进行了表征,并对其进行了热分解和非等温动力学研究。结果表明,该化合物属于斜方空间群Pmmn,三维结构;同时该化合物具备良好的热稳定性;计算得到化合物的热着火点温度和临界温度分别为250℃和466.08℃,有较好的热安全性。此外,化合物的吉布斯自由能为154.67 kJ·mol^(-1),表明该化合物的分解过程为非自发反应。

含能材料切削过程高精度检测系统设计

为保证含能材料在切削加工中的安全和加工精度,必须准确控制切削力及切削温度。设计一种切削力和切削温度的高精度实时测量方法。该方法成本低、实时性高、实用性强,提高测试准确性,保证安全切削。