高聚物粘结炸药中基于聚多巴胺的仿生可控界面构筑及抗蠕变机制研究

Polymer bonded explosive (PBX), which is composed of explosive crystal and 5-10% polymer binder, is an important functional and structural component of weapon systems. The creep behavior under the thermal mechanics environment results in the reduction of energy density, safety performance, and structural stability. Due to the fact that polymer binder concentrates on the surface of explosive crystal, the interfacial interaction is a critical factor of the creep resistance properties. For the traditional surface modification methods, it is difficult to precisely control the interfacial structure and interfacial interaction. In this project, the polymerization of dopamine is introduced to coat explosive crystal. 1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene (TATB) and fluoropolymer (F2314) are chose as the model materials. The thickness of polydopamine is controllable by adjusting reaction parameters. By varying the conjugation characteristic of molecular structure of explosive crystal, the interfacial structure between explosive crystal and polydopamine can be tuned. Based on the polyfunctional properties of polydopamine, further functionalization (controlled polymer grafting) is conducted. The accurate regulation of interfacial structure between polydopamine and polymer binder could be achieved by changing grafting density and thickness. The evolution mechanism of interfacial morphology and the effect of interfacial structure on the creep resistance properties will be discussed. Viscoelastic creep model of the PBX with different interfacial structure will be built. The studies in the project can provide new means and ideas for structural design and performance control for energetic composites and have potential application prospects.

高聚物粘结炸药（PBX）由炸药晶体和5-10%高聚物粘结剂组成，是武器系统的重要功能和结构部件。热力环境下PBX蠕变行为导致能量密度、安全性能和结构稳定性降低。由于PBX中粘结剂含量少且集中分布于炸药晶体表面，界面作用是影响抗蠕变性能的关键因素。本项目拟针对传统表面改性方法难以精确调控界面结构和界面作用的缺点，以三氨基三硝基苯（TATB）炸药和含氟聚合物（F2314）为模型材料，采用多巴胺自聚合包覆炸药晶体。调节反应参数，获得厚度可控的聚多巴胺包覆层；通过炸药分子结构的共轭特性调节炸药晶体与包覆层的界面结构；基于聚多巴胺多官能团特性，再进行功能化修饰（可控接枝高分子），通过接枝密度和厚度的调节实现包覆层与粘结剂界面的精确调控；研究蠕变过程中界面形态演化机制，揭示界面结构与抗蠕变性能关系，建立不同界面结构PBX的蠕变模型，为含能复合材料结构设计和性能调控提供新的思路和理念，具有潜在应用前景。

复合含能材料中组分之间的弱界面作用是制约高聚物粘结炸药（PBX）性能的关键瓶颈问题，也是多组分复合材料相关界面基础研究中的普适性基本问题。针对传统改性方法难以精确调控炸药晶体与粘结剂的界面结构和界面作用的问题，本项目结合仿生学的新发展，基于多巴胺对材料表面的强粘附作用和可扩展的反应平台特征，采用多巴胺原位自聚合包覆炸药晶体，利用多巴胺与含能晶体强界面作用提高PBX的性能。从结构调控的角度，提出三种调控界面作用的方法：第一，通过调节聚合反应参数，获得厚度可控的聚多巴胺（PDA）包覆层；第二，通过炸药分子结构和晶体表面形貌调节炸药晶体与PDA包覆层的界面结构；第三，基于PDA多官能团特性，再进行功能化修饰（如接枝高分子），通过接枝厚度的调节实现包覆层与粘结剂界面的精确调控。在此基础上，通过选择钝感剂为另一壳层，构筑新型一核双壳结构，利用内外壳层协同作用，实现安全性能和力学性能的协同提高。基于断面形貌的微观表征，分析蠕变断裂模式，揭示界面结构与抗蠕变性能关系。通过本项目研究，实现了PDA对多种典型炸药晶体的包覆，成功制备了包覆层含量可调（0.16%~5.0%）的核壳结构，并获得沉积动力学方程。深入研究了PDA与不同结构含能晶体的相互作用，理论计算和试验结果表明，PDA对复合含能材料的力学增强效应与炸药分子结构密切相关。通过调节PDA/粘结剂界面结构，接枝改性PBX的拉伸断裂能提高了182.0%。基于钝感剂的降感效应和多巴胺的增强效应，在HMX晶体表面成功构筑了两种一核双壳杂化结构（HMX@TATB@PDA和HMX@Wax@PDA），协同提升了炸药的力学性能和安全性能，最小撞击起爆能从5 J（纯HMX）提高到13J，拉伸断裂能提高89.2%。仿生PDA包覆为含能复合材料结构设计和性能调控提供新的思路和理念。