炸药大单晶的生长及性能研究

选用单晶材料研究炸药的起爆机理、弹塑性特征以及爆轰行为等是当前进一步认识炸药特性所采用的最重要方法之一。这些研究所需要的单晶样品几乎都要满足一定尺度的要求。有机化合物特别是炸药大单晶的生长比较困难。本研究以炸药HMX/RDX为研究对象，采用计算模拟和实验相结合，通过对HMX/RDX晶体的生长机制、晶核形成和晶体生长动力学、缺陷的形成和演化过程以及影响因素的详细研究，旨在获得HMX/RDX大单晶的生长技术并培养出优质HMX/RDX大单晶。对比研究炸药单晶和非均质炸药（PBX）的力学、爆轰、安全和起爆等性能，可获得更为真实的炸药性能参数，为炸药配方、武器装药设计提供更可靠的技术基础，也更有利于炸药本质安全性预估。同时，大单晶的制备为将来直接利用单晶代替PBX药柱用于微火工品器件等的装药提供了可能。

研究炸药的力学响应特征、起爆机理和爆轰规律，获得炸药力学、爆轰等本征性能参数，预估炸药本质安全性，采用炸药大单晶是最有效、最直接的手段。本项目以当今武器装药用的两种主炸药黑索今(RDX) 和奥克托今（HMX）为研究对象，首先采用占有率模型理论预测了RDX和HMX在多种溶剂中的晶习，通过结晶动力学和单晶生长条件研究，解决了炸药单晶生长过程中尺寸受限和缺陷控制两个关键问题，特别是采用晶形修饰剂攻克了HMX易形成孪晶的技术难题，最终突破了大单晶生长的关键技术，获得了高质量HMX和RDX大单晶，单晶尺寸分别可达45mm × 40mm × 40mm和25mm × 25mm × 20mm，达到国际同行水平。. 根据HMX和RDX晶体特性，研究选用合适的切割加工技术和条件，解决了切割过程由于热应力极易引起单晶开裂等关键问题，实现了晶面定向与切割的完全匹配；攻克了炸药单晶的精密抛光技术难题，抛光后炸药单晶表面粗糙度由自然生长面的微米级显著降低至5nm级水平，有效避免了因表面缺陷引起的炸药力学特征参数等研究的不准确性，炸药单晶抛光技术达到国际先进水平。该技术的突破，为力学特征、起爆机理等精细试验的设计需要不同取向、厚度和形状的炸药单晶样品提供了最基本的保障。 . 在此基础上，采用纳米压痕和划痕试验技术研究获得了RDX单晶(210)、(200)和(002)取向和HMX单晶的(020)、(011)和(-232)取向的弹性模量、硬度、摩擦系数等具有各向异性的多项力学特征参数的精确值，为PBX炸药配方和武器装药等结构模型设计提供了基础参数；首次发现炸药单晶的摩擦系数与摩擦感度成正相关，该研究为炸药安全性能的评估提供了一条新的可靠途径。. 采用轻气炮加载装置，研究发现了不同取向RDX单晶在低压冲击作用下出现了与一般金属材料相反的弹塑性效应随冲击压力增强的现象, 该结果的进一步证实将对炸药单晶的力学行为和起爆机制分析研究非常重要。首次实验直接观测到RDX单晶的完整起爆过程的四个阶段，冲击辐射强度呈现二次增强形态，是体系在冲击波作用下释放化学能并将冲击起爆压力阈值限定在低于22GPa。该试验技术的成功表明：采用透明单晶炸药样品，使光谱测温技术应用于炸药冲击温度和爆轰温度的测量已经成为可能，为更多炸药单晶的起爆机理试验研究奠定了很好的技术基础。