可逆共价型自修复PBX构筑及其损伤愈合机制研究

Polymer bonded explosive (PBX) is a sort of polymeric composites highly-filled with energetic crystals, and it is a precondition for PBX provided with excellent mechanical property and good safety to maintenance its structure integrality. PBX materials may easily suffer from damages in their manufacture and use, the microcracks will generate inside of the PBX and often take place at the interface of explosive crystal and polymeric binder, then the crack of binder network may occur, which would reduce the material mechanical properties and diminish their using life. Therefore, it is an urgent problem needing to be resolved for energetic materials that how to avoid the binder network in PBX to crack by endowing polymeric binder with self-healing property. In this project, we plan to prepare an intrinsic self-healing PBX by introducing the functional groups with reversible-bonding property (i.e. Diels-Alder (DA) bonds) into the polymer binder, which can self-heal the microdamages in PBXs through heating. The effect of the reversible-bond content of as-prepared polymeric binder on healing efficiency of PBX will be investigated, and the damage-healing mechanism of this kind of PBX will be deeply understood, which would not only be helpful for us to develop the structure-accommodating approach for energetic materials, but also be provided with practical value for prolong the life of PBXs.

高聚物粘结炸药（PBX）是一类高度填充含能晶体的聚合物基复合材料，保持结构完整是PBX展现优良力学性能与安全性质的前提；然而在制造或使用过程中，PBX不可避免会产生微观损伤，受到后续的环境应力作用，作为连续相的粘结剂基体会开裂，导致PBX的结构完整性遭到破坏。使PBX中的粘结剂具备自修复能力，防止基体受损开裂，就成为含能材料领域迫切需要解决的一个科学问题。本项目针对PBX的结构特性，拟向粘结剂分子引入具有可逆共价性质的官能团，设计构建具有本征型自修复特性的PBX，使其微结构损伤在加热作用下实现自动愈合。通过开展自修复粘结剂的分子设计与结构调控研究，厘清PBX的损伤修复效果与粘结剂分子结构间的关系，从分子链的多级结构以及与炸药的界面作用等多个层面，剖析不同的力、热作用下PBX损伤的自动愈合机理。本项目的研究不仅有利于丰富含能材料的性能调控途径，而且对于PBX的延寿也具有重要的实用价值。

赋予PBX材料以自修复功能，使其在受到应力作用而产生损伤时，能在一定条件下进行损伤的自动修复，保持其结构的完整性，成为含能材料领域亟需解决的一个重要问题。本项目以PBX用高分子粘结剂作为切入点，通过引入可逆共价键（如DA 键等）使之具有自修复能力，进而实现PBX材料的损伤自愈合。首先，选取易与炸药分子产生较强界面作用的聚氨酯类高分子粘结剂作为研究对象，开展了基于Diels-Alder 反应的PBX 用自修复粘结剂DAPU的分子设计与结构调控研究；其次，以合成的DAPU为粘结剂，构筑具有本征型热致自修复特性的PBX，研究了该类PBX 中不同程度损伤修复的实现途径，掌握粘结剂特性以及预制损伤的载荷条件与PBX 损伤的修复效果间的关联性规律；然后，从炸药与粘结剂的各种不同层级的相互作用出发，剖析了力、热刺激作用下自修复型PBX 的损伤愈合的作用与机制。通过本项目的研究，我们掌握PBX用高聚物粘结剂的可逆共价键的构筑方法，获得了具有修复效率达95%、拉伸强度达14MPa的聚氨酯粘结剂PTMEG2000-IPDI-DAPU。与典型炸药TATB、HMX等的颗粒进行复合，设计制备了不同比例的PBX试样，掌握自修复PBX的组成、结构与损伤的形成、修复条件、愈合效果间的影响规律。PBX的热修复效率与其受到的损伤程度大小有关，轻度损伤的PBX强度可恢复到95%以上，而较严重的贯穿性损伤在修复处理后的强度值也能恢复到65%以上。最后，从粘结剂与炸药颗粒分子间作用的不同强弱层次，剖析自修复PBX的损伤的产生过程与自愈合的作用机制。在这些研究的基础上，本项目获得授权发明专利1项，发表5篇SCI论文，1篇EI论文。本项目的研究结果，不仅可为新型自修复PBX的设计与研制提供参考，而且还有助于我们加深对含能复合材料微结构与抗损伤能力关系的认知。