高氯酸·四氨·双(5-硝基四唑)合钴(Ⅲ)(BNCP)的晶体结构

制备了高氯酸.四氨.双(5-硝基四唑)合钴(Ⅲ)(BNCP)的单晶,用X-ray单晶面探衍射仪对其晶体进行了结构测定。证实该晶体属单斜晶系,空间群为P2(1)/n。晶胞参数为:a=10.0149(11);b=10.5387(11);c=14.8241(16)。V=1479.2(3)3,Z=4,DC=2.050 mg.mm-3,μ=1.421 mm-1,F(000)=928,并得到了BNCP的原子坐标、等效温度因子、键长、键角和扭转角等数据。根据测试参数,分析了BNCP的结构特点和分解机理。

高氯酸·四氨·双(5-硝基四唑)合钴(Ⅲ)分子和晶体结构与性能的理论研究

运用密度泛函理论(DFT)分别对高氯酸.四氨.双(5-硝基四唑)合钴(Ⅲ)(BNCP)分子和晶体进行了理论计算。首先选取4种常见密度泛函方法对BNCP气相分子进行优化,结果表明TPSS(Tao,Perdew,Staroverov,Scuseria)方法最适合此体系。随后运用Materials Studio中DMOL3模块中PW91方法对BNCP晶体进行周期性计算。并在优化后的结构基础上对气相分子的电子结构以及晶体的态密度、晶格能以及热力学参数进行研究。结果表明,中心金属离子和配体之间的连接为共价性;且高氯酸根离子对前沿能带贡献最大,是主要活性部位;同时给出了晶体热力学参数和温度之间的关系式并计算了晶体的晶格能。

掺杂对BNCP半导体激光起爆感度的影响

对激光敏感药剂高氯酸.四氨.双(5-硝基四唑)合钴(Ⅲ)(BNCP)进行掺杂,以半导体激光直接作用药剂的方法,研究了掺杂物的种类、含量和波长对BNCP激光起爆感度影响。结果表明:在同样的条件下,未掺杂的BNCP在激光器最大功率下都不能发火,而加入适合的掺杂物的种类和含量能够大大提高BNCP半导体激光起爆感度;在635 nm波长下,掺杂物中掺杂酞箐铜能量最低,50%发火阈值达0.24 mJ,平均延期时间2.3 ms;掺杂吸光物C,50%发火阈值达0.57 mJ,平均延期时间5.5 ms;在915 nm波长下,掺杂吸光物C含量为5%时,50%发火阈值最小,为5.06 mJ。

BNCP粒度对固体激光起爆感度和延期时间的影响

为提高火工药剂的激光感度,以3%(质量)碳黑为掺杂物,研究了高氯酸·四氨·双(5-硝基四唑)合钴(Ⅲ)(BNCP)粒度对激光起爆能量和延期时间的影响,结果表明:在同样的条件下,BNCP粒度越小,激光起爆阈值越小,最小达2.17mJ;延期时间越短,最短达326.7μs。

碳纳米管及碳黑对BNCP感度性能的影响

采用DSC、GJB5891.22,24,25,27-2006方法研究了掺杂碳纳米管(CNTs)及碳黑(CB)对高氯酸.四氨.双(5-硝基四唑)合钴(Ⅲ)(BNCP)的热、撞击、摩擦、火焰、静电火花和激光感度的影响。结果表明:(1)碳纳米管和碳黑能够降低半导体激光起爆BNCP发火阈值;(2)掺杂5%CNTs和5%CB的BNCP的50%激光发火阈值分别为13.76和5.06 mJ;(3)在加热速率为10℃·min-1的条件下,BNCP、BNCP/CNTs、BNCP/CB主要放热分解峰温度分别为289.87,277.75,276.67℃;(4)撞击、火焰感度:BNCP>BNCP/CNTs>BNCP/CB;摩擦感度:BNCP/CB>BNCP/CNTs>BNCP;静电火花感度:BNCP/CB>BNCP>BNCP/CNTs。

钝感起爆药BNCP的热安全性

采用DSC和TG试验研究了BNCP的热性能,并与常规起爆药Pb(N3)2和CP进行了对比。设计了一种热烤实验装置,对BNCP的耐热性进行了实验研究。结果表明,BNCP的热分解温度低于Pb(N3)2和CP,但其表观活化能大于Pb(N3)2和CP。BNCP在240℃以下的环境温度中的分解量较小,有较好的热安全性。在环境温度低于90℃的条件下,可以长期放置。当环境温度接近药剂的热分解温度266℃时,药剂被烤爆,烤爆温度为248～260℃。

超细BNCP比表面积对其性能的影响

以无水乙醇为非溶剂，采用机械研磨和低温干燥的方法制备了高氯酸·[四氨·双（5-硝基四唑）]合钴（Ⅲ） （BNCP）的超细粒子，测试了其粒度、比表面积、感度、热性能。结果表明，超细粒子粒度小于2 μm；比表面积分布为3.88～13.9 m^2·g^-1；其撞击感度和摩擦感度均随比表面积的增大而逐渐降低；细化样的静电感度比原样大，但随比表面积增大而变化的趋势不明显；DSC热分解起始温度和峰温随比表面积的增大而有所提前。

BNCP超细粒子的制备和表征

采用机械研磨和低温干燥的方法获得了高氯酸·[四氨·双(5-硝基四唑)]合钴(Ⅲ)(BNCP)的超细粒子。细化后,BNCP粒子外形趋于圆滑,粒度分布在亚微米至2μm之间;比表面积由细化前的0.087m2·g-1增大至10.8m2·g-1,撞击感度和摩擦感度均有所降低。

金属配合物类炸药的爆轰性能计算及数值模拟

拟合了高氯酸[四氨.双(5-硝基四唑)]合钴(Ⅲ))(BNCP)、高氯酸.四氨.双叠氮基合钴(Ⅲ)(DACP)以及四氨.双(3,5-硝基三唑)合铜(Ⅱ)三种金属配合物炸药的固体爆轰产物Co和Cu的Cowan状态方程参数和热力学函数系数,利用VLW爆轰产物状态方程程序计算了其爆速、爆压等爆轰参数值,同时根据计算得到的等熵膨胀数据拟合出它们的JWL状态方程参数,并利用LS-DYNA有限元程序对炸药驱动飞片进行了数值模拟。结果显示,计算得到的爆轰参数值与文献给出的实验数据基本吻合,偏差在4%以内。

新型起爆药BNCP的应用研究

为了进一步推广新型安全钝感起爆药BNCP的军事应用,开展了BNCP的性能分析及其在起爆器和点火器中的应用研究。通过对BNCP的热性能、热安定性、相容性及感度进行测试,得到了BNCP的基础性能数据;对装填BNCP的两种火工品的输出性能进行测试,结果表明:在某起爆器中用BNCP代替CMC-LA,装药量减少了25mg,输出压力平均值提高了2.1MPa;在某电点火器中用BNCP代替b-LTNR,装药量减少了5mg,输出压力平均值提高了约2.5MPa。采用BNCP的两种火工品均能够正常作用,且做功能力增强,说明BNCP可以代替叠氮化铅和斯蒂芬酸铅在部分火工品中进行应用。

用超级电容器驱动激光起爆BNCP的技术研究

为了研究基于超级电容驱动激光起爆的作用规律,建立了基于超级电容驱动的激光输出时域模型,设计了超级电容驱动激光起爆装置,获得了在不同容值和放电电压下激光的输出波形,测试数据与数值仿真数据基本吻合。利用超级电容驱动激光起爆装置研究了以高氯酸·[四氨·双(5?硝基四唑)]合钴(Ⅲ)(BNCP)为始发药、JH?14为输出装药的激光起爆器起爆规律。结果表明,基于超级电容驱动的激光起爆时间随着放电电压的升高而显著降低,降幅最大达71%,随电容容值的增大略有降低,降幅约32.1%,起爆能量均在0.037～0.057 mJ,起爆能量利用率随放电电压升高、电容值增大而降低,在放电电压13.5 V,电容120 mF的测试条件下,起爆作用时间最快为14.8μs,实现了超级电容驱动激光快速起爆。

BNCP炸药研制的近期活动

桑迪亚国家实验室和太平洋科学公司能量动力部（原来的Unidynamic公司）早就有了基于高氯酸·（五氨·5－取代四唑）合钴（Ⅲ）的DDT（燃烧转爆轰）炸药的研制计划以应用于热桥丝火工品。这些炸药将有可能用作为起爆药如叠氮化铅、斯蒂芬酸铅的取代物。开始的计划是研制高氯酸·[五氨·（5－氰基四唑）]合钴（Ⅲ）（通常称之为CP）。它已在能源应用部门应用了15年以上。现在由于CP的原料之一氰气在美国受到严格的EPA限制而不再能够购到，所以CP也不再生产。这就需要进一步研制另外一种高氯酸·（五氯·5－取代四唑）合钴（Ⅲ）炸药，以满足能源部应用的需要。这种努力的结果导致了BNCP即：高氯酸·[四氨·双（5－硝基四唑）]合钴（Ⅲ）的研制。现已发现，BNCP有更大的轰输出，同时，以更弱的限制条件，更短的距离完成DDT。BNCP不需要特别的雷管材料。本文将简略地介绍BNCP的合成以及它的扩大规模试验，材料性能，炸药性能以及应用前景。

BNCP在雷管中的应用技术研究

为推进新型安全钝感起爆药BNCP的军事应用,开展了BNCP在雷管中的应用基础技术研究和性能特征分析。给出了BNCP的结构表征、热性能、安定性、相容性、各种感度性能的典型数据和特点,研究了BNCP的装药工艺性能,测试与分析了BNCP的爆热、比容、爆速、爆发点和"准起爆药"的安全特征,通过试验研究了BNCP的极限起爆药量、装药耐压性、桥丝起爆感度及在军用火焰雷管、桥丝雷管中的应用。结果表明:BNCP可以代替叠氮化铅、斯蒂芬酸铅应用于大多数火焰、桥丝等军用火工品中。

BNCP的量子化学研究

采用量子化学密度泛函理论方法,计算了起爆药BNCP的分子结构参数,分析了BNCP的结构特点、光谱与感度性能。研究表明:BNCP中NH_3和ClO_4上的N和O形成了强亲核中心,而NO_2上的N以及Cl、Co原子形成了强亲电子中心。BNCP外层电子由ClO_4上的O_(35～38)原子向四唑环的取代NO_2上的N_(16～17)原子转移,这一能量跃迁值为486.98nm。计算了BNCP分子的红外理论图谱,其结果与实验值相吻合。