基于多孔骨架材料原位合成复合叠氮化铜及其能量输出控制研究

In order to develop more intelligent and miniature, we chose metal-organic frameworks(MOFs) based on copper atoms as precursor in strength of its high pore volume, certain pore width, high surface area and controlled atomic content, and made its carbonized product reacted with hydrazoic acid gas completely. We research on the reaction mechanism and reaction kinetics of the in-situ complex of copper azide. We also study on its complex scale in microscale, such as sensitivity and process from deflagration to detonation transition (DDT) so as to find out patterns of energy transmission. We establish modes of reaction kinetics based on the reaction mechanism of in-situ copper azide complex to provide essential support for controlling azidation degree theoretically, and make a thorough inquiry between complex scale and sensitivities to provide technical support for preparation of insensitive copper azide complex. We work on DDT process as to find out patterns of energy transmission and simulate its energy releasing by the large general finite element software to get relationship among explosion products during DDT process. In general, we provide theoretical supports and innovative methods for synthesis and characterization of in-situ copper azide complex.

针对火工品智能化小型化的技术发展需要，采用以铜为中心原子的金属有机框架材料为前体，将其碳化后，与叠氮酸进行原位反应，充分利用了金属有机框架材料的高孔隙率、确定的孔径与孔道、高比表面积和原子可调控性等特点，保证叠氮化的完全性。研究叠氮化铜复合物的反应机理、原位反应动力学、微尺度下药剂复配与感度特征关系、燃烧转爆轰性能以及能量传递规律。在揭示叠氮化铜复合物反应机理的基础上，建立原位反应动力学模型，为有效地控制叠氮化反应程度提供必要的理论指导；掌握起爆复配与感度特征的关系，从微观层面上揭示刺激响应机理，为获得降感的叠氮化铜复合物提供技术支持；研究叠氮化铜复合物爆炸性能特点，掌握其能量输出的特征规律，并利用大型通用有限元软件数值模拟叠氮化铜复合物的能量释放过程，研究复合叠氮化铜爆轰驱动飞片的相互作用。为新型叠氮化铜复合物的设计与考察其燃烧转爆轰的作用过程提供全新的技术思路。

本课题组通过三年的探索和研究，按照计划全面完成了本项基金课题的任务，并取得了突破性进展。叠氮化铜较高的静电感度限制了其在微小型火工品中应用。对此，本项目进行了如下4方面的工作：1）采用密度泛函理论计算方法对叠氮化铜/碳材料复合结构的几何结构和电子结构进行计算，分析碳纳米管对Cu(N3)2结构和性能的影响规律。研究表明碳材料能有效的降低叠氮化铜的感度性能。2）以含铜金属有机框架材料为前驱体，经过碳化、叠氮化制备了碳基叠氮化铜（MOFT-CA）复合起爆药。制备的碳基叠氮化铜静电感度（E50）降低至1.60 mJ，MOFT-CA的火焰感度（H50）为42 cm，MOFT-CA具有更高的静电安全性和良好的点火性能。对制备得到的MOFT-CA在含能芯片中进行了点火和起爆能力的测试，含能芯片发火作用时间约为10μs，可以将装药腔炸碎并起爆CL-20，展现出良好的点火性能和起爆能力。3）设计制备了不同孔径的含铜金属有机框架材料，系统的研究了碳化后不同孔径对于叠氮化反应的影响，在小孔径范围内，孔径的大小会影响到骨架中铜单质的叠氮化程度，孔径越大，叠氮化反应越充分。对比研究了叠氮化铜和碳材料之间的不同复配方式和感度之间的关系，结果表明叠氮化铜的均匀分布情况和叠氮化铜的含量是影响叠氮化铜感度的关键因素。4）采用电探针法测定了叠氮化铜微装药尺寸下的爆轰速度，根据叠氮化铜的密度和测定的爆轰速度，运用γ律状态方程拟合出了JWL状态方程参数。通过仿真模拟得出，装药密度对叠氮化铜爆轰成长影响显著，应继续完善原位装药工艺，尽可能提高装药密度。装药直径应设计大于临界直径。同时为了满足装药量更小、体积更小的需求，装药直径不应过大，在能可靠传爆条件下最小值。装药高度应设计为在满足可靠传爆要求下取最小值。这些研究成果引领了新一代起爆药剂的发展，对推进叠氮化铜的进一步应用具有重要推进作用。相关工作已申请国家发明专利7项，软件著作权一项，发表SCI收录论文15篇。培养硕士研究生3名，博士研究生6名。