PBX复合材料中交替微层化导热网络的构筑和导热性能研究

The thermal stress can easily emerge in the PBX with a low thermal conductivity when faced with the complicated thermal physical environment, resulting in cracking or fracture of PBX. This phenomenon can directly affect the safety and usage of weapon. And improving the thermal conductivity is a key route to enhance the thermal environment adaptability of PBX. At present, the research on improving the thermal conductivity of PBX is very rare, and the special structure of PBX make this work face a big challenge. Accordingly, in this work, a high efficient thermal conduction path will be builded in the polymer binder network of PBX. Based on the filling of carbon nanotubes and graphene, the alternating micro-layered structure consisting of fibrous thermal conduction layer and flake thermal conduction layer will be constructed at the surface of explosive. Then the heat will transfer from explosive to binder in a manner of “line-pallet” mode, while the heat in binder will transfer in a manner of “parallel” mode. The effect of layered structure regulating on the thermal conduction property of PBX will be investigated, moreover, the rule and mechanism of thermal conduction with the changing of layered structure will be deeply studied. We hope the studies in the project can give a boost to insight into thermal conduction mechanism of PBX at the structure design scale, provide new means and ideas for improving the thermal conduction property of PBX, and offer assist and reference for extending the living life of weapon.

PBX炸药的导热系数偏低，在面临复杂的热物理环境时容易产生热应力，导致部件开裂或塌陷，直接影响武器的安全性能和使用性能，提高导热系数是增强PBX环境适应能力的关键途径。目前，国内外关于增强PBX导热性能的研究比较空白，PBX结构的特殊性使得该项研究面临巨大挑战。本项目拟在PBX中呈网络分布的粘结剂中构建高效导热通路，基于高导热碳纳米管、石墨烯填充，采用复合包覆的方法在炸药表面构筑纤维状导热微层与片状导热微层交替排列的空间结构，实现炸药到粘结剂的热量以“线-片”方式和粘结剂中的热量以“并联”模式高效传输，调控层结构来研究其对PBX导热性能的影响，深入理解层结构变化对导热传输影响的规律和机理。通过本项目的研究必将在结构设计角度上深刻认识PBX的导热机制，为提高PBX导热性能提供新的思路和理念，将为延长武器的生存寿命提供帮助和参考。

新形势下，武器作战环境的发展对炸药部件的环境适应性提出了更高的要求，现有PBX的导热系数偏低，面临复杂的热物理环境时容易产生热应力，导致部件开裂或损伤，影响武器的安全性能和使用性能，而提高PBX的导热系数是增强环境适应性的关键途径。为维持爆轰性能，PBX对填料的含量有着苛刻的限制，如何在较低含量下有效构筑导热通路是亟需解决的关键问题。为此，基于高导热碳纳米材料石墨烯、碳纳米管(CNTs)及石墨烯纳米片(GNPs)的应用，通过不同维度的高效导热通路微结构设计，解决了低含量下导热填料搭建通路的难题，显著增强了PBX的导热性能和环境适应能力。具体为：(1) 依据二维片状GNPs巨大表面积的优势，首先在PBX中构建了二维片状导热通路，为热量传输提供稳定而宽阔的通道，可明显改善PBX的热导率和抗热应力断裂能力；(2) 在二维片状导热通路研究的基础之上，充分结合GNPs二维面内高导热和CNTs一维线方向高导热的不同特性，将二者杂化复合，在PBX中构筑了三维杂化导热网状结构，通过协同效应，使杂化改性PBX导热性能及抗热应力断裂能力显著高于纯GNPs与CNTs改性PBX；(3) 将不同碳材料限定在局部层空间，分别形成片状石墨烯和线状CNTs导热层通路，实现层内并联传输，最大化热量传输，层间利用一维和二维协同增强的优势，使PBX导热性能还要优于普通三维杂化导热网络设计，为PBX中导热填料含量受限状态下提供一种优异的导热增强方案。通过项目研究，掌握了典型碳纳米材料的分散和应用技术，成功建立从二维片状、三维杂化到交替微层化的导热网络构筑方法，以及微结构调控技术和手段，阐明不同维度导热网络构筑对PBX导热性能的影响规律和导热增强机制，并结合不同导热理论模型的建立和有限元计算，掌握了导热微结构与导热性能之间的构效关系，以及微结构设计对PBX内部温度梯度和热应力分布的影响规律。为切实改善PBX复合材料的低导热特性提供了有益的创新思路、理念和关键技术，并为有效提升武器系统中炸药部件的环境适应性提供关键理论基础和技术储备。