低感高能炸药FOX-7的热致相变机理及相变抑制研究

The polymorphism and phase transition of explosives have an important influence on the safety, reliability and performance of the explosive components in weapon system. Clarifying phase transition mechanism and inhibiting phase transformation are fundamental to guarantee structure stability and efficiency of explosive assembly. This project focuses on a typical low sensitive high energetic explosive, FOX-7. Combining various in-situ techniques and theoretical simulations and calculations, we will reveal the mechanism of α→β thermal phase transition of FOX-7 on the atomic and molecular levels. According to the principle of the lattice and configuration match among heterogeneous interfaces, we’ll prepare doped phase stabilizer/FOX-7 materials and FOX-7@polymer core-sheet structure materials using solution co-crystallization method to inhibit the α→β phase transformation, and investigate their phase composition and fine structures evolution during the FOX-7 phase transition by synchrotron radiation XAFS, XRD and TG-DSC techniques, which will provide a more accurate and comprehensive understanding of the mechanism of the phase transformation inhibition. This finding is expected to enhance the thermal stability and environmental suitability of FOX-7 and expand its application scope. Besides, the results may benefit the research of the phase transition mechanism and phase transformation inhibition behavior of other polymorphic explosives and organic crystals。

炸药多晶相的普遍存在和晶相转变显著影响武器系统的安全性、可靠性和做功能力。探索相变机理并进行有效的相变抑制对保证炸药部件的稳定性和能量效能的最大利用具有非常重要的意义。本项目针对典型低感高能炸药FOX-7，采用单晶XRD等多种原位技术对FOX-7热致相变行为和动力学过程进行研究，并结合理论模拟，从微观层次探索FOX-7晶体α→β热致相变机理。在此基础上，基于异质界面晶格匹配和表面构型匹配相结合模式，采用溶液共结晶等方法制备相稳定剂/FOX-7掺杂结构和FOX-7@聚合物核壳结构材料，实现FOX-7的α→β相变抑制；并采用XAFS，XRD和TG-DSC等技术研究两者的物相组成和精细结构随温度的演变规律，揭示其抑制机理。本项目的研究成果不仅将显著改善FOX-7的热安全性，极大地扩展其应用范围，而且对于其它多晶相炸药和有机晶体的相变机理和抑制研究也具有很好的指导意义。

炸药的多晶相及晶相转变显著影响武器的安全性和可靠性。FOX-7作为一种重要的高能低感炸药，其多晶相现象和抑制研究一直受到重点关注。本项目主要就FOX-7 的α→β 相变机理和抑制方法进行了探索和研究。.首先采用动态法研究获得了FOX-7的结晶热力学和动力学规律；认识了影响FOX-7晶体生长的动力学因素和连续生长机制，建立了晶体成核和生长动力学模型；开发了多种晶体形态调控方法，获得了条状、片状、块状等不同形貌晶体。采用变温拉曼等方法揭示了FOX-7的α→β和β→γ两次相变过程；发现相变从晶体缺陷处开始然后扩散至整个晶体；相变后晶体出现裂纹、破碎和变色等现象。掌握了晶体缺陷、颗粒尺寸、晶体形貌等对相变温度的影响规律。开发了重结晶、掺杂和包覆等三种用于α→β 相变抑制的技术，其中重结晶技术的效果优于其他两种技术。长径比小形貌规则的高品质晶体α→β相变温度最高达到124.5℃，比最差品质提高约20℃；含能材料和金属氧化物等相掺杂剂对相变温度影响不大，沸石咪唑盐骨架材料与FOX-7形成复合物，可显著影响分解性能，提高含能材料的能量释放效率；采用聚离子液体和聚多巴胺包覆FOX-7晶体，可使α→β相变温度最高提高约6℃左右。.研究揭示了FOX-7的α→β 相变及抑制机理。在整个相变过程中，FOX-7的C-C、C-N、N-O共价键没有发生明显改变。α相与β相的晶格参数和原子位置十分接近，主要区别在于β相中有一半分子相较于α相发生了转动，使得分子间氢键发生了重排。完美α相变为β相的势垒仅为14.6 kJ/mol，表明相变十分容易发生；有缺陷α相晶体局部相变势垒进一步降低，揭示了α→β相变优先从缺陷处向周围逐步发生扩散的原因，因此提高晶体品质可以提高相变温度。初态α相，末态β相，以及中间态的能量均十分接近，表明了相变过程可逆，从而揭示了α相向β相相变难以抑制的本质原因。为FOX-7的应用和其他炸药相变研究提供了指导。