梯度含能材料的构筑及其燃爆性能与反应机制研究

The improvement of energy and damage power of ammunition is always the objective researchers have pursued. Metastable Intermolecular Composites (MIC), comprised of nano-fuel and nano-oxides have extensive potential applications in high-energy ammunition and propellants due to their high energetic density, adjustable reactivity and controllable energy release. However, the low reaction rate and pressure output limited their large-scale application in energetic field. Moreover, the mechanism between the MIC and explosive are not researched. In this project, the MIC and explosives would be composited by 3-D printing (such as in-situ direct-writing), which can be used to adjust the micro- and macro structure of the composites and construct the novel gradient nanostructured energetic materials (MIC gradient distribution and layered stack etc.). To probe the influence of micro-structure of gradient energetic materials to energy release and controllable mechanism, the detonation experiments and numerical simulation are combined to investigate the combustion behavior, detonation reaction zone structure and energy output properties of gradient energetic materials. This project can not only know deeply the influence law of micro-structure of energetic materials to energy release, but also benefit to understand the basic physicochemical problems in in combustion and detonation reaction of novel gradient energetic materials, and provide the new ideas for the design and fabricate the high power and novel energetic materials.

提高弹药的能量和毁伤威力一直是研究者追求的目标。亚稳态分子间复合物(MIC)是一类由纳米燃料和纳米氧化剂组成的复合含能材料，具有能量密度高、反应活性可调、能量释放可控的特点，在高能弹药和推进剂等领域具有重要的应用前景，然而低的反应速率和压力输出限制了大规模的应用，同时，MIC与炸药的相互作用机制尚未研究。本项目拟将MIC与炸药进行复合，采用3D打印技术调控其微观和宏观结构，构筑新型梯度纳米结构含能材料(如MIC梯度分布、层状堆垛等结构)，通过爆轰实验结合数值模拟技术对梯度含能材料的燃烧反应行为和爆轰反应区结构、能量输出特性进行研究，揭示梯度含能材料的微细观结构对能量释放的影响规律及其调控机制。本项目研究不仅可深入认识含能材料的微细观结构对能量释放的影响规律，还有利于深入理解新型梯度含能材料的燃烧、爆轰反应过程中基本物理化学问题，并为弹药的高能化设计和新型含能材料的设计与制备提供新的思路。

为了提高含能材料的能量密度和反应性能，从材料和结构两个层面，设计构筑了氟聚物基MIC与炸药的梯度结构含能材料，并通过燃烧与爆轰实验揭示了梯度结构含能材料的能量输出特性及其微观机制，为材料结构协同设计提供新的研究思路和方法。为了构筑梯度结构，开发了同步和分布3D打印技术，建立了梯度结构含能材料的打印工艺；为了实现材料与打印工艺的匹配性，设计了具有非牛顿流体特性的炸药墨水，成功引入了声共振混合技术，实现了热固性和热塑性含能墨水的高效制备，研究揭示了粘结剂体系、配比和固体颗粒尺寸等对含能墨水流变学特性的影响规律，为梯度结构的打印成型提供依据。通过研究炸药墨水和打印工艺的匹配性，建立了墨水流变特性与打印工艺的关联关系和梯度结构的3D打印技术与工艺，实现了结构的精细控制，构筑了台阶式和连续分布的梯度结构含能材料。研究了梯度含能材料的燃烧反应和爆炸性能，通过对燃烧反应性能研究，建立了铝粉含量、粒径分布及氧化物(F)的含量的梯度分布特征对梯度结构的燃烧反应行为的影响规律。结果表明，通过组分含量的有序分布，可有效提高火焰传播以及能量释放速率，增强压力峰值，调节能量输出特性。爆炸试验结果表明，通过PTFE含量的变化，可以调控爆炸压力的分布和压力衰减，提高爆炸火球的直径和持续时间，为毁伤性能调控提供实验依据。在实验基础上，结合理论计算，揭示了氟-金属反应性材料的微观反应机制，发现氟(F)在相对较低的温度下与惰性Al2O3壳层刻蚀反应，形成AlF3，从而在铝粉表面形成孔洞，增强反应过程传热和传质，提高燃烧反应效率，并提出了表面自活化策略，该策略用于硼的表面活化，可提高反应过程的压力输出，降低点火延迟时间。本项目的研究为材料-结构的协同设计和制备提供了新的思路，对燃爆-爆轰反应特性和能量输出性能的研究有助于深入认识复合含能材料的反应过程物理化学基础科学问题，研究获得的材料和技术在固体推进剂和炸药中具有潜在应用价值。