微流控技术制备DNTF/LLM-105复合材料及其安全性能分析

为了提高3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的使用安全性,利用微流控技术将其与2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)进行复合,分别制备了质量比分别为50∶50、60∶40和70∶30的DNTF/LLM-105复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)对所制备的DNTF/LLM-105复合材料进行了形貌及结构表征;采用DSC法测试了3种复合材料的热分解性能;测试了3种复合材料的机械感度。结果表明,3种复合材料均为棱柱形,颗粒尺寸较原料明显减小,热分解峰温分别为269.0、262.6和255.4℃,较原料DNTF分别提前了21.2、27.6和34.8℃;机械感度测试结果表明,相比于原料DNTF,微流控技术制备的复合材料的特性落高分别提高了(50±2)、(45±2)和(45±2)cm;相比于原料LLM-105,复合材料的特性落高分别提高了(15±2)、(10±2)和(10±2)cm;复合材料摩擦感度的临界载荷均大于360N。说明利用微流控技术可以制备出颗粒尺寸小、机械感度优于含能材料单体的复合材料。

含3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)推进剂的能量特性

利用国军标方法及CAD系统软件,在标准条件(pe/pc=70∶1)下,计算了含3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的各类推进剂的能量特性,结果表明DNTF的单元推进剂比冲为2696.4N.s.kg-1,比CL-20单元推进剂的理论比冲还高31.1N.s.kg-1;用DNTF取代丁羟推进剂、改性双基推进剂以及GAP推进剂中的RDX或AP可以提高相应推进剂的理论比冲和特征速度。由于DNTF不含氯元素,且摩擦感度比RDX低得多,因此将DNTF引入推进剂中对提高推进剂的综合性能是有益的。

DNAN降低DNTF冲击波感度研究

通过冲击波感度、红外光谱、X射线衍射和扫描电镜等试验,研究了3,4-二硝基氧化呋咱(DNTF)、二硝基茴香醚(DNAN)以及不同比例DNTF/DNAN共熔物冲击波感度的变化情况,从其红外谱图、晶面间距和晶体形貌的变化规律分析了DNAN降低DNTF冲击波感度的机理。研究结果表明,加入DNAN能够有效降低DNTF的冲击波感度,DNAN质量为20%左右综合性能较好,降低冲击波感度的同时,不产生晶体缺陷。

DNTF-CMDB推进剂的化学安定性

采用甲基紫法和维也里法研究了DNTF含量、NC与NG的质量比、增塑剂和安定剂的种类及其含量对DNTF-CMDB推进剂化学安定性的影响。结果表明,随着DNTF含量的增加,推进剂的维也里变色时间缩短,甲基紫变色时间增加。NC与NG的质量比对推进剂的化学安定性影响较小。用三乙二醇二硝酸酯(TEGDN)替代增塑剂NG有利于增加推进剂的化学安定性。在N,N′-二甲基-N,N′-二苯脲(C2)、2-硝基二苯胺(2-NDPA)、N-甲基-4-硝基苯胺(MNA)3种安定剂中含C2推进剂的维也里变色时间最长,含MNA推进剂的甲基紫变色时间最长。

DNTF/HATO混合体系安全性及分子动力学模拟

为了研究3,4–二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)与5,5′?联四唑?1,1′?二氧二羟胺(HATO)混合炸药安全性能,对DNTF临界直径和不同比例的DNTF/HATO混合体系的撞击感度、摩擦感度、冲击波感度、热感度的变化规律进行了研究。结果表明:DNTF单质炸药临界直径约为0.2 mm。当HATO的含量小于等于55%时,混合体系的特性落高随HATO含量的增加线性增加;摩擦感度随HATO含量的增加线性减小。混合体系的冲击波感度在HATO含量小于等于50%时与DNTF相当,当HATO含量达到55%时有所改善,隔板值G50降低5 mm左右。DNTF和HATO混合后,HATO的热分解温度会由243.7℃降低到230℃左右。采用Dreiding力场对DNTF/HATO混体系分子动力学模拟得到,随着HATO含量的增加,DNTF分子中五元环与NO2相连的C—N键、五元环中的C—O键的键长呈现下降的趋势,说明DNTF、HATO形成混合体系后,结构稳定性有所提高。

DNTF-CMDB推进剂性能的实验研究

为研究DNTF-CMDB推进剂的性能，按照国军标方法测试了其能量、比容、燃烧性能、安全性能、力学性能和内弹道性能，并与HMX-CMDB推进剂的相关性能进行了比较。结果表明，DNTF-CMDB推进剂的比容较大、爆热和密度较小，其密度、爆热和比容分别为1．684g／cm^3、4586J／g和739L／kg；DNTF-CMDB推进剂可以实现平台燃烧，20～50℃的燃速温度敏感系数较大；对热刺激较为敏感，但机械感度较低；20℃和50℃时压缩率较高，分别为43．8％和46．4％，－40℃时抗压强度为175 MPa。50 mm发动机试验测得比冲约为2162．7 N ·s／kg（10 MPa）。

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的密度泛函理论研究(英文)

运用密度泛函理论(DFT)B 3LYP/6-31+G(d)方法对3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱进行了结构优化,得到其稳定构型。通过对其优化构型及自然原子电荷分析,证明O 14原子对DNTF的结构和性质的影响最大。IR振动光谱和NM R化学位移的计算值和理论值吻合得较好。化合物前线轨道组成分析表明,最高占据轨道(HOM O)主要由C(7)s,C(2)s,C(3)s,C(6)s,C(6)p,O(14)p和C(2)p构成,最低未占据轨道(LUM O)主要由C(7)s,C(16)s,C(7)p和N(11)p构成。

DNTF与TNT凝固行为的差异性分析

为了解3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)装药缺陷的形成原因,对比研究了DNTF和TNT的凝固行为。测试了DNTF和TNT的体积收缩率。用工业CT和扫描电镜观测了DNTF和TNT的凝固缺陷分布。用DSC和热导率测定仪测试了DNTF和TNT的热性能参数。用凝固速率测试装置获得了描述DNTF和TNT凝固过程的温度-时间曲线。结果表明,DNTF和TNT的体积收缩率分别为11.6%和12.7%。DNTF的缺陷分布较为分散,而TNT的缺陷分布较为集中。DNTF和TNT的凝固点、凝固热、比热容和热导率分别为110.2℃、100.2 J·g^(-1)、0.943 J·g^(-1)·℃^(-1)、0.197 W·m^(-1)·℃^(-1)和80.9℃、104.6 J·g^(-1)、1.278 J·g^(-1)·℃^(-1)、0.224 W·m^(-1)·℃^(-1)。DNTF的凝固速率高于TNT。随着凝固层厚度的增加,轴向上各层间发生凝固的间隔时间出现快速缩短的趋势。DNTF凝固过程具有体积凝固的特点,而TNT的凝固过程具有逐层凝固的特点。

DNTF基炸药燃烧转爆轰影响因素实验研究

为了研究二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)基混合炸药燃烧到爆轰转变(DDT)过程的有效调控技术,采用同轴电离探针测量技术研究了点火药量、DDT管壁厚约束、成型方式等对DNTF基混合炸药DDT性能的影响,从DDT管破裂状态、DDT过程不同位置处波阵面速度、诱导爆轰距离等变化对实验结果进行了分析。结果表明,DDT管壁厚约束对DNTF基混合炸药DDT的诱导爆轰距离没有明显影响,都在375 mm左右,但壁厚减小会使爆燃阶段持续时间增加,达到爆轰的初始速度减小到5515 m·s^(-1);点火药量增加对DNTF基混合炸药DDT反应剧烈性没有明显影响,但会减小初始燃烧持续时间和诱导爆轰距离;压制成型试样DDT的初始燃烧持续时间、爆燃持续时间及诱导爆轰距离均大于熔铸成型试样,但反应剧烈性没有差别。

DNTF基同轴双元装药的爆轰波形及驱动性能

采用两种不同含铝量的3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)基炸药制备了一种同轴双元组合装药,其内层装药的含铝量为20%,外层装药的含铝量为5%,通过高速扫描法研究了该组合装药的爆轰波形特征;采用含铝量为12.5%的DNTF基炸药制备了同尺寸的单一装药,并通过圆筒实验,对比了组合装药与单一装药驱动性能的差异。结果表明,外层装药爆速较高时,内层装药的爆轰波形将产生汇聚效应,同时也加剧了外层装药的侧向干扰,使其波形呈现明显的散心特征;该组合装药的复杂波形不仅影响内外层装药的爆轰反应区宽度,还使圆筒比动能及爆轰产物压力在初期均明显低于单一装药;随着爆轰产物的膨胀,组合装药与单一装药的圆筒比动能逐渐接近,且爆轰产物相对比容增至2.69后,组合装药爆轰产物的压力便明显超过单一装药。

DNTF-CMDB推进剂的燃烧机理(英文)

采用燃烧火焰单幅照相技术、微热电偶测温和扫描电镜-能谱仪研究了DNTF-CMDB推进剂的火焰结构、燃烧波温度分布、熄火表面形貌及元素分布。结果表明,含10%DNTF改性双基推进剂的火焰结构为预混火焰,其燃烧波结构与双基推进剂类似。含50%DNTF改性双基推进剂的火焰结构为扩散火焰,其燃烧波结构与AP-HTPB复合推进剂类似。燃烧表面炭物质的减少是推进剂压强指数升高的主要原因。

DNTF基含硼和含铝炸药的水下能量

理论计算了DNTF基含硼和含铝炸药的爆炸性能参数,通过水下能量及爆热测试研究了它们的能量特性。结果表明,含硼质量分数15%的DNTF基炸药水下能量可达到2.1倍TNT当量,并出现最大值。含铝质量分数10%-50%的DNTF基炸药的水下能量随铝含量的增加呈上升趋势,其最大值可达到2.67倍TNT当量。当铅或硼的质量分数低于18%时,含硼DNTF炸药的能量高于含铝炸药。硼铝联用,也可获得较好的能量特性。

铅、铜盐催化剂对DNTF炸药热分解及烤燃响应特性的影响

为提高3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)炸药热安全性,采用高压差示扫描量热仪(PDSC)、小型烤燃实验考察了水杨酸铅(PbSa)、水杨酸铜(CuSa)、2,4-二羟基苯甲酸铜(β-Cu)、邻苯二甲酸铜(Cu(PA)2)、氧化铜(CuO)等催化剂对DNTF烤燃响应特性以及1 MPa下热分解性能的影响。结果表明,CuSa、β-Cu、Cu(PA)2等有机铜盐催化剂可提高DNTF热分解速率,使其在1 MPa下分解峰温降低13.6℃以上,PbSa使DNTF分解峰温升高了3.1℃,同时二次分解剧烈程度更明显,CuO对DNTF热分解无影响;CuSa可使无约束条件的DNTF在1℃·min^-1下的烤燃响应温度由236.6℃降低为182.3℃,响应剧烈程度由爆炸改善为燃烧;少量CuSa可使强约束条件下的DNTF基混合炸药装药在1℃·min^-1下的烤燃响应温度降低2.4℃,响应剧烈程度由爆炸降低为燃烧,说明选择合适的有机铜盐催化剂可有效改善DNTF基炸药装药烤燃响应特性。

DNTF基熔铸炸药的金属加速作功能力

用圆筒试验获得含铝和不含铝两种配方的DNTF基熔铸炸药的筒壁膨胀速度、比动能和格尼系数的变化规律,研究了其金属加速作功能力,并与Octol炸药进行了对比。结果表明,DNTF可显著提高混合炸药的金属加速作功能力;加入少量铝粉虽然会降低初始筒壁速度,但在圆筒膨胀后期,筒壁速度可超过不含铝配方,且提高了DNTF基熔铸炸药的持续金属加速作功能力;与Octol炸药相比,含铝DNTF基熔铸炸药的格尼系数提高了6.2%。

DNAN/DNTF混合体系的二元相图及其机械感度研究

为了获取2,4-二硝基苯甲醚/3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNAN/DNTF)二元混合体系的相图并考察其在机械刺激下的安全性,利用DSC研究了不同摩尔比DNAN/DNTF二元混合体系的液化及熔融过程,建立了液化温度T与组分含量x的T—x相图;并分别测定了混合体系的撞击感度、特性落高和摩擦感度,分析了混合体系组成对熔融特性及机械感度的影响。结果表明,DNAN/DNTF混合体系低共熔物组分配比摩尔比为63.3∶36.7,质量比为52.3∶47.4,低共熔温度为67℃。DNAN/DNTF混合体系的撞击感度随DNTF含量的增加而线性增长,由12%增至88%;特性落高值在DNTF过剩的低共熔混合体系中随DNTF含量的增加呈线性减小,DNTF的摩尔分数由37.6%增至100%时特性落高由86.2cm减小至20cm;摩擦感度受到了体系中过剩DNAN或DNTF的影响,可以通过三项式拟合摩擦感度与含量的关系,其关系式为yf=16-25.18xF+247.85xF2-156.99xF3;通过机械混合与熔融混合样品的机械感度对比发现,混合方式对机械感度的影响不大。

DNTF炸药的能量及可熔铸性

通过理论计算探讨了DNTF的能量特性,由氮当量公式建立了DNTF的D-ρ0经验公式为D=2171+3651ρ0,计算的Dmax为9243m/s;DNTF的P-ρ0关系式为P=10.8175ρ02-0.574,计算的Pmax为40.01GPa;相对作功能力计算值为172.9%TNT当量。结晶形貌分析结果表明,纯DNTF的结晶形态、致密性及可熔铸性优于TNAZ,铸装药柱密度可达91%TMD以上,从而说明DNTF是一种具有高能量密度、高爆速、高作功能力的可铸装炸药。

杂质对DNTF炸药热安定性的影响研究

通过真空安定性试验和烤燃试验分别研究了纯度98.6%、纯度99.5%DNTF的热安定性。结果表明:纯度98.6%、纯度99.5%DNTF均满足真空安定性试验对放气量的要求,纯度98.6%DNTF比纯度99.5%DNTF的自发火温度提高了7℃,说明少量杂质的存在对DNTF的热安定性有一定的好处。

TNT、DNAN和DNTF单质凝固过程中温度和缩松的数值模拟及实验研究

为了解熔铸载体炸药凝固过程中温度及缩松规律,以TNT、DNAN和DNTF 3种单质炸药为研究对象,使用铸造软件ProCAST对3种载体在铜模具中自然凝固时轴向不同位置处温度变化及总体缩松情况进行了模拟计算,并针对模拟工况进行了试验验证;通过热电偶温度传感器测量并记录温度曲线;对凝固后的药柱进行机械剖分并观察缩松情况。结果表明,TNT、DNAN和DNTF的凝固点分别为81、90和109℃;TNT及DNAN凝固偏向于逐层凝固,而DNTF凝固则接近于体积凝固;3种单质炸药凝固过程中温度模拟结果准确度高,平均误差均小于10%;缩松预测计算结果同试验结果一致;模拟计算精度能够满足工艺实践的需求。

DNTF的非等温结晶研究(Ⅱ)在RDX中的结晶动力学

采用差示扫描量热技术研究了3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的非等温结晶行为,并在DNTF中加入了大量的固体分散介质RDX以研究DNTF结晶过程过冷和自加热现象。结果表明,RDX能够降低过冷度,消除自加热。采用Avrami方程计算得到了DNTF结晶动力学的Avrami指数为3.12。用Avrami-Ozawa方程获得了该结晶过程的Ozawa指数为2.48。采用Kissinger方程获得了结晶的动力学参数活化能为-378.19 kJ.mol-1。在数据处理的基础上比较了DNTF在HMX和RDX两种固体分散介质中的非等温结晶动力学参数。

DNTF基含铝炸药复合装药的驱动特性

设计了内外层分别由含铝质量分数为5%和20%的DNTF基炸药组成的复合装药。采用直径50mm圆筒试验测量了其爆速及圆筒壁的膨胀位移,研究了不同复合装药结构的能量释放特性,并与单一配方装药进行了对比。结果表明,内层为高爆速炸药时,爆速约为两种单一装药的平均值,后期驱动能力没有显著增强,格尼系数仅为2.86mm/μs;外层为高爆速炸药时,爆速略低于高爆速单一装药,爆轰波形具有明显的内聚特征,提高了内层低爆速炸药的能量释放速率,驱动能力持续增强,格尼系数为2.93mm/μs。