HMX高温高压相变的路径依赖性及其相图研究

There are increasing demands on the safety and detonation performance of explosives in modern warfare. The study of crystal structure and phase transition mechanism of explosives has become a frontier and hot issue in the field of international high pressure physics and impact chemistry research. Crystal phase structures and phase transition processes have an important impact on the local microstructure evolution and chemical reaction of explosives, which may affect the density, sensitivity, chemical decomposition and energy release of explosives. These are extremely important but unresolved problems in the field of explosive reaction kinetics. The research on the HMX phase transition problems is extremely scientific and applicable, because it is not only significant for the understanding of the structural evolution and chemical reaction mechanism of explosives at the micro level but also for the understanding of the response characteristics of explosives on the macro level. At present, the phase transition conditions of HMX under high temperature high pressure are not clear, and phase transition kinetics under different loading conditions and the dependence of temperature and pressure are lacking. We plan to use high temperature high pressure DAC devices and a variety of in situ spectroscopy diagnostic systems in this project, so we can study the structural evolution of HMX under different temperature and pressure loading paths ,and finally clarify the possible high temperature high pressure new phase and phase transition mechanism. All these studies may have important significance for use and storage, structural stability, detonation performance and prediction of safety and reliability of HMX.

现代战争对炸药的安全性和爆轰性能等提出越来越高的要求。炸药的晶体结构与相变机制研究已成为国际高压物理和冲击化学研究领域的前沿与热点问题。晶体相结构、相变过程对于炸药局部微结构演化及化学反应都将产生重要的影响，进而影响炸药的密度、感度、化学分解与放能，这些都是当前炸药反应动力学研究领域极为重要且尚未解决的问题。对于HMX相变问题的研究，不论是微观层面上对炸药的结构演化、化学反应的机制的理解还是宏观层面上炸药的响应特性的认识，都极其具有科学意义和应用价值。从认识上，HMX高温高压下的相变条件尚不明确，不同加载条件下的相变动力学过程及温度、压力的加载路径依赖性规律的认识非常缺乏。本项目拟采用高温高压DAC装置，多种原位谱学诊断技术系统的研究不同温度、压力加载路径下HMX的结构演变规律，明晰可能的高温高压新相和相变机制，必将对HMX的结构稳定性、爆轰性能和安全可靠性的预测等具有很好的指导意义。

晶体相结构、相变过程对于炸药局部微结构演化及化学反应有重要的影响，对于HMX相变问题的研究，不论是微观层面上对炸药的结构演化、化学反应的机制的理解还是宏观层面上炸药的响应特性的认识，都极其具有科学意义和应用价值。本项目研究不同温度、压力加载路径下HMX的结构演变规律，明晰可能的高温高压新相和相变机制。通过拉曼、红外和X射线衍射技术系统地研究了β-HMX晶体在40 GPa高压下的相变。当使用氖压介质时，观察到β→ζ（5.4 GPa），ζ→ε（9.6 GPa），ε→φ（21.6 GPa）和φ→η（35.0 GPa）的四个相变。β→ζ和ζ→ε的相变是由NO2基团和环的变化引起的，而ε→φ（21.6 GPa）的转变主要归因于CH2基团和环的变化。根据高压X射线衍射分析，所有观察到的相都被证明是单斜晶结构的同构体，并且在38 GPa以下的压力-体积曲线中没有发现体积的突变。采用不同的传压介质，开展了非静水压下HMX晶体的高压拉曼实验研究。结果表明，HMX晶体分别在4.9、13.9和17.5 GPa发生了结构相变。在13.9 GPa压力下，HMX开始发生相结构Ⅱ→相结构Ⅲ的相变，并在一定压力范围内两相共存；从17.5 GPa开始出现另一个新相（相结构Ⅳ），从而在17.5~23.6 GPa压力范围内出现了结构Ⅱ、相结构Ⅲ和相结构Ⅳ三相共存现象。HMX晶体在非静水压下的相变路径与准静水压下的相变路径完全不同，非静水压环境下的压力梯度是造成该差异的原因。开展了HMX晶体的原位高温拉曼光谱、X射线衍射实验。通过拉曼光谱和X射线衍射谱识别出不同温度加载和后处理方法对HMX晶体相结构及微结构的影响。获得了HMX晶体在不同温度、压力加载路径下的高温高压相图。