FOX-7/HMX混合体系热性能研究

为研究FOX-7及其与HMX混合体系的热性能,采用差示扫描量热仪(DSC)、热常数分析仪等手段,对HMX与FOX-7等质量比共混物、以及具有不同HMX与FOX-7比例的炸药配方的热分解行为、导热性质等开展了研究。结果表明:在FOX-7/HMX混合体系中,HMX与FOX-7的分解放热以及晶型转变吸热过程可相互影响:HMX在247.3℃处已有部分分解,282.5℃出现的放热峰对应于HMX的分解放热峰和FOX-7的第2步分解峰的叠加;而FOX-7的β到γ晶型转变以及HMX的β到δ晶型转变吸热峰相较于单质颗粒,分别延迟了8.5℃、9.5℃。配方中HMX与FOX-7的相对含量决定了两者的分解峰温,这可能与两者热效应的相互影响及粘结剂对炸药颗粒包覆完整度有关:随着配方中HMX含量由25%增加至60%,其熔融吸热峰由276.6℃提前至252.5℃;随着配方中FOX-7含量由25%增加至60%,其第1步分解峰和HMX的熔融分解过程相互影响,导致只出现一个分解放热峰,FOX-7第1步分解反应放热将导致其更早发生熔融分解。FOX-7颗粒的热导率、热扩散系数、比热容都高于HMX。在总含量不变的情况下,随着FOX-7含量的提高、HMX含量的降低,混合炸药配方的热导率、热扩散系数、比热容都随之提高。

外电场对不同组分比例的HMX/FOX-7共晶炸药感度影响的理论研究

借助分子动力学方法对不同电场不同组分比例的HMX/FOX-7共晶炸药晶体表面成键能和力学性质进行了研究。在不同外电场作用下,利用B3LYP和MP2(full)方法在6-311++G(d,p)和6-311++G(2df,2p)基组水平上,计算了HMX/FOX-7(1∶1)复合物中HMX的撞击感度h_(50)及其N-NO_2键离解能。结果表明:1∶1比例的共晶炸药最稳定、力学性质较好。共晶主要在HMX(0 2 0)和(1 0 0)晶面上形成。共晶复合物的形成使HMX引发键N-NO_2增强,感度降低。正方向外电场增大了晶面成键能和HMX中N-NO_2键离解能,升高了h_(50)值,降低了HMX的撞击感度;而负方向外电场对其影响正好相反。正方向外电场使G和E值增大,炸药延展性降低;负方向外电场效应正好相反。

FOX-7/HMX混合炸药烤燃试验的数值计算

为研究FOX-7/HMX混合炸药的热响应特性,基于热爆炸理论中的热平衡原理,以McGuire-Tarver三步反应模型及成核和生长反应模型分别描述HMX和FOX-7的化学反应过程,建立了FOX-7/HMX混合炸药烤燃过程的计算模型。将建立的计算模型以用户自编函数的方式添加到Fluent软件中,对混合炸药的烤燃过程进行了数值模拟。同时还对FOX-7/HMX混合炸药进行了烤燃试验研究。结果表明:炸药样品中最终发生了燃烧反应。在升温速率为3℃/min的条件下,炸药试样中心处点火温度计算结果和试验结果分别为203.3℃和196.2℃,点火时间计算结果和试验结果分别为3 360 s和3 444 s;炸药试样1/2半径处点火温度计算结果和试验结果分别为202.1℃和191.6℃,点火时间计算结果和试验结果分别为3 360 s和3 264 s。模拟计算结果与试验结果基本一致,相对误差能够满足实际预估的需求。

微流控法制备超细HMX/FOX-7复合物及其性能测试

为了降低HMX感度,提高使用安全性,选用低感度含能材料FOX-7为包覆剂,利用微流控技术制备得到超细HMX/FOX-7复合物。采用红外、XRD分析表征了其结构,采用SEM分析了复合物的微观形貌,并对其进行热性能、感度性能及点火燃烧性能测试研究。结果表明,基于微流控技术制备的超细HMX/FOX-7复合物粒径范围0.92~2.91μm,平均粒径1.37μm,球形度较好,粒径分布窄;相比于传统宏观尺度搅拌法,微尺度制备条件使得HMX降感效果增强,获得的复合物具有更高的热稳定性和更优良的感度性能,热分解温度较传统法推迟11.8℃,撞击感度和摩擦感度分别由56%和52%降至32%和28%;HMX/FOX-7复合物的点火延迟时间随着激光功率密度的增加呈现递减的趋势,在相同功率密度条件下随着FOX-7含量的增加,复合物最小点火能量增大,点火延迟时间增加;与原料HMX相比,复合物的点火燃烧火焰更为明亮,火焰传播速率更快。

HMX/FOX-7共混体系在不同温度下的MD模拟

采用分子动力学(MD)方法研究了HMX/FOX-7混合体系分别在248 K、298 K、348 K、398 K和448 K温度下的结合能(Ebind)、内聚能密度(CED)、最大引发键键长(Lmax)和力学性能,构建了HMX、FOX-7以及质量分数比为1:1的HMX/FOX-7混合体系模型。计算结果表明,随着温度的升高HMX/FOX-7的Ebind从1547 kcal/mol下降到1318 kcal/mol,不同温度下结合能均维持在较高水平,表明HMX和FOX-7之间有着良好的共混能力;HMX/FOX-7的CED在随温度的升高而下降的过程中介于两种纯组分之间,但数值和变化趋势更接近FOX-7。在448 K温度下共混体系的CED值较HMX升高了207 J/cm3,Lmax降低了0.0165A,说明FOX-7的加入改善了HMX高感度的缺陷;通过径向分布函数分析,得出HMX与FOX-7分子间相互作用存在氢键和强范德华力;随着温度的升高,HMX/FOX-7的刚度、硬度和断裂强度下降,延展性和塑性提高,这些性能在248~448 K温度下均优于纯组分的HMX和FOX-7。通过撞击感度试验和相容性试验对模拟结果进行了验证,试验结果与模拟规律吻合性较好。

火炸药粉尘云最小点火能的实验研究

为了了解HMX粉尘与FOX-7粉尘的燃爆特性,评价其潜在危险性,利用1.2 L哈特曼管式粉尘云爆炸装置,分别对粉尘浓度、粒度、环境湿度对两种物质最小点火能(E_(min))的影响进行了研究与分析。研究结果表明:2类HMX、5类HMX与FOX-7三种粉尘着火的最敏感浓度分别为916.66 g·m^(-3)、833.33 g·m-3与833.33 g·m-3;所对应的Emin分别为12.45 m J、15.75 m J、19.01 m J。粉尘浓度、环境湿度对两种物质的最小点火能均有显著影响;最小点火能随粒度的减小而降低。

几种多态含能材料构型转变的DFT研究

为了从分子层面上对含能材料不同分子构型间的转变情况有一个直观认识,借助Gaussian 09软件,运用密度泛函理论(DFT),采用TS算法搜寻β-RDX→α-RDX、γ-HMX→β-HMX、ε-CL-20→β-CL-20及β-FOX-7→α-FOX-7在分子构型转变过程中的过渡态结构,确定了它们的构型转变过程;并通过计算吉布斯自由能随构型转变路径的变化,比较多态含能材料分子构型转变的难易程度。结果表明,由亚稳晶型到稳定晶型的转变首先会越过过渡态,克服自由能能垒转变为亚稳态结构,实现β-RDX→α-RDX、γ-HMX→β-HMX、ε-CL-20→β-CL-20及β-FOX-7→α-FOX-7分子构型转变分别需要克服的自由能能垒分别为5.25、22.21、9.69和10.24kJ/mol。因此,常温常压下β-RDX→α-RDX、γ-HMX→β-HMX、ε-CL-20→β-CL-20及β-FOX-7→α-FOX-7构型转变的难度大小排序为:HMX>>FOX-7>CL-20>RDX。