CL-20/TNB共晶炸药的合成及性能研究

The properties of energetic materials depend on its structure,cocrystal explosive has the ability to tune properties of explosives and becomes an interesting focus in energetic materials field. However, nowadays the method to prepare cocrystal explosive has a low efficiency due to lack of theoretical guidance. In our experiment, solvent evaporation requires a long time with difficult in scaling up, limiting the development and application for cocrystal explosives. The phase solubility and phase transition characteristics of pure components will be investigated to obtain the rule of phase transformation for establishing phase diagram in order to provide theoretical guidance for an effective preparation cocrystal explosives. Based on phase diagram, the preparation method also will be developed for offering a high efficient method to prepare cocrystal explosives.Moreover, the properties of cocrystal explosives including physicochemical performance, safety and detonation will be characterized to explore the relation among the components, structures and properties.The main purpose of this project is to reveal the mechanism of cocrystal explosive formation, and provide the theoretical and technical guidance for effective preparation and actual application, promoting the sustainable development of cocrystal explosives.

含能材料的性能与其分子结构密切相关，共晶炸药对调控炸药性能具有潜在的优势，并逐步成为含能材料领域里的研究热点。然而，目前共晶炸药的合成尚缺乏科学理论指导，合成效率低。我们在前期研究中发现采用溶剂挥发法合成共晶炸药，周期长，重复性差，难于放大，严重制约共晶炸药的性能评估与应用发展。本项目拟以CL-20和TNB为典型代表，考察共晶各纯组分的溶解特性和相变特征，探明各组分的相转变规律，建立共晶相图，为共晶炸药合成提供理论指导。基于相图开展匹配的共晶炸药合成研究，为共晶炸药的高效合成提供一种普适性方法。另外，考察CL-20/TNB共晶炸药的理化、安全和爆轰性能，探索共晶组分与结构对性能的影响规律，为解决含能材料能量与安全性间矛盾提供必要的科学依据和技术支撑。本研究将有助于揭示共晶炸药形成机制，为共晶炸药的高效合成及其实际应用奠定理论和技术基础，对促进我国共晶炸药可持续研究具有重要科学意义。

为了降低CL-20感度，同时保持其高能量特性，项目开展CL-20与低感炸药TNB共结晶研究。基于分子静电势，采用理论模拟与实验相结合方式，建立炸药溶解度模型，在此基础上进一步获得CL-20/TNB共晶三元相图。基于相图，开展CL-20/TNB等CL-20/硝基芳香炸药共晶制备，采用溶剂挥发和喷射共沉淀方法，获得了CL-20/TNB、CL-20/TNT和CL-20/DNB三种共晶炸药。其中，喷射共沉淀结晶方法，突破了共晶放大合成技术瓶颈，实现了快速高效合成共晶。通过对共晶晶体结构分析，发现此类共晶主要依靠CH---O（NO2）氢键和富电子NO2与缺点性芳香苯环之间的NO2-π协同作用形成，从而初步揭示了共晶形成机理，为其它共晶的理性设计提供了指导。最后对该系列三种共晶热分解、安全性和爆轰性能研究，发现共晶结构的形成，有效调控了炸药熔点、撞击感度和爆速与爆压，并筛选获得了具有高能低感特性的CL-20/TNB共晶炸药，同时初步揭示了共晶结构与性能之间的关系。项目研究成果进一步为构筑新型含能材料并调控其性能提供了一种新的有效策略，并对后续共晶炸药的设计与制备具有重要指导意义。