Повышение безопасности CL-20: снижение ударной чувствительности через углеродные наноматериалы для теплопроводности

Аннотация

В исследовании восстановленный оксид графена (rGO) и углеродные нанотрубки (CNT) включили в CL-20 композиты как проводящие наполнители для усиления теплопроводности. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) и рентгеновская дифракция (XRD) выявили равномерную трехмерную теплопроводящую сеть при комбинации rGO и CNT при 1 вес.%. Дифференциальное сканирующее калориметрирование (DSC), статическое-электрическое тесты, специальные-высотные измерения, термическая диффузия и детонационная скорость эксперименты продемонстрировали, что синергетический наполнитель не только усилил теплоперенос, но и значимо снизил ударную чувствительность, сохраняя энергетическую производительность взрывчатки.

Введение

CL-20 (2,4,6,8,10,12-гексаннидро-2,4,6,8,10,12-гексазаизовуртцитан) предлагает превосходную плотность и энергоплотность по сравнению с традиционными взрывчатками такими как RDX и HMX. Ее высокая чувствительность, однако, исходит из плохой теплопроводности, способствующей формированию горячих точек при быстрых температурных флуктуациях и угрожающей надежности 무기ных систем. 1–7 Решение этого ограничения поэтому критично для безопасных, высокопроизводительных применений.

Полимерные покрытия и графитовые наполнители долго использовались для улучшения механической и тепловой робастности энергетических кристаллов. Недавний консенсус благоприятствует использованию углеродных нанонаполнителей — графеновых нанопластинок, CNT и связанных материалов — для создания эффективных тепловых путей в полимерных композитах. 8–13 Эти наноматериалы обладают исключительной в-плоскости теплопроводностью и высокими аспектными соотношениями, позволяя формировать непрерывные, низкосопротивленные теплопереносные сети.

В то время как двухмерная решетка графена предлагает большой фононный свободный пробег и высокую подвижность электронов, межслойные ван-дер-ваальсовые взаимодействия часто препятствуют поперечной теплопроводности. CNT, напротив, предоставляют одномерные мосты, которые могут связывать графеновые листы и взрывчатые частицы, снижая межповерхностное тепловое сопротивление и формируя трехмерную сеть. 14–16 Таким образом, синергетическая смесь rGO и CNT ожидается дать превосходную теплопроводность и, следовательно, сниженную ударную чувствительность.

Эта работа исследует комбинированный эффект rGO и CNT в CL-20 композитах, характеризуя микроструктуру, тепловое поведение, чувствительность и детонационную производительность, и разъясняя базовые теплопереносные механизмы.

Методы

Синтез наномасштабных CL-20/углерод материал композитов

CL-20 композиты фабриковали водяной суспензионной маршрутом (Рис. 1). Estane (3 вес.% в 1,2-дихлорэтане) служил связующей матрицей. rGO, CNT или rGO:CNT 2:1 смесь (SWCNT) диспергировали в связующем растворе ультразвуковой агитацией. Отдельно, 20 г измельченного CL-20 взвешивали в 200 мл деионизированной воды под магнитным перемешиванием. Связующий раствор медленно добавляли к CL-20 суспензии, и смесь нагревали при 70 °C под 0,02 МПа давления для удаления растворителя. После охлаждения композит фильтровали, промывали и вакуумно испаряли для получения конечного продукта. Образцы маркировали как CL-20/Estane (1), CL-20/rGO (2), CL-20/CNT (3) и CL-20/rGO + CNT (4).

Характеристика

SEM (SU-8020, Hitachi) захватывала поверхностную морфологию и распределение размера частиц. XRD (DX-2700, Dan Dong Hao Yuan) оценивала кристаллическую структуру используя Cu-Kα излучение (40 кВ, 30 мА). DSC (DSC-131, Setaram) оценивала термическое разложение под азотистым потоком (30 мл/мин) с нагревательными скоростями 5–20 К/мин. Накопление статического электричества измеряли индуцированием трения на желобе и записью заряда цифровым измерителем; заряд на единицу массы квантифицировал электростатическое накопление. Ударная чувствительность следовала GJB 772A-97 (тип 12 молоток) для определения 50% вероятности высоты (H₅₀). Термическая диффузия получали лазерно-вспышковым анализом на 10 мм × 2 мм дисках, и теплопроводность (k) рассчитывали стандартной формулой. Детонационная скорость измеряли зондовым временем-полета, и теоретические значения вычисляли используя EXPLO5.

Результаты и обсуждение

Микроструктурные характеристики

SEM изображения (Рис. 2) показывают сырой CL-20 как ~300 мкм шпинделевидные частицы (2a). Шариковая фрезеровка уменьшила размер до ~200 нм (2b). rGO листы (~2 мкм, пять слоев) и CNT образовывали взаимозамкнутые сборки (2c). В CL-20/CNT композитах CNT склонялись к агломерации, ухудшая теплоперенос (2d, e). Напротив, rGO + CNT смесь демонстрировала равномерную дисперсию без различимых агломератов (2f), указывая на эффективную синергию.

XRD паттерны (Рис. 3) подтверждают ε-фазу всех образцов, с неизменными позициями пиков но сниженными интенсивностями и расширенными ширинами из-за нанонаполнительного покрытия и эффектов размера частиц.

Тепловой анализ

DSC кривые (Рис. 4) раскрывают экзотермический пик при 242 °C для сырого CL-20, характеристичный взрывчатого разложения. Покрытые образцы демонстрируют похожие формы пиков но ~2 °C сдвиг в rGO + CNT смеси, указывая на превосходную совместимость. Более раннее начало разложения для всех композитов предполагает каталитическую активность нанонаполнителей. CNT добавление снижает энтальпию разложения от −2384,95 до −779,82 Дж/г, потенциально уменьшая взрывчатой тепло; rGO умеренновляет этот эффект, давая сбалансированные −1897,80 Дж/г. Следовательно, CNT содержание должно быть тщательно контролировано для сохранения энергетического выхода.

Анализ чувствительности

Ударная чувствительность, квантифицированная H₅₀, драматически улучшилась от 17,3 см (сырой CL-20) до 65,8, 50,3 и 68,7 см для образцов 2, 3 и 4 соответственно. Плотное, теплопроводящее покрытие, образованное rGO и CNT, подавляет генерацию горячих точек и эффективно рассеивает механическую энергию, снижая чувствительность. Статико-электрические тесты (Рис. 6) подтверждают сниженное накопление заряда для всех композитов, с rGO + CNT смесью показывающей наименьшие значения, атрибутируемым CNT способности диссипировать заряд.

Анализ теплопроводности

Измеренная при 25 °C, сырой CL-20 демонстрирует 0,143 Вт·м⁻¹·К⁻¹. Покрытие 1 вес.% rGO + CNT увеличивает проводимость до 0,64 Вт·м⁻¹·К⁻¹ — в 4,5 раза выше базовой — в то время как rGO или CNT один дают меньшие приросты. Высокие внутренние проводимости rGO и CNT, объединенные с их интерфейсной синергией, устанавливают непрерывную трехмерную теплопереносную сеть, минимизирующую межслойное сопротивление. Схематичная (Рис. 7) иллюстрирует CNT, мостящие rGO листы и CL-20 частицы, создающие многочисленные фононные пути и максимизирующие поверхностный контакт.

Линейная регрессия (Рис. 8) демонстрирует четкую обратную связь между теплопроводностью и ударной чувствительностью: по мере роста k H₅₀ растет, подтверждая, что более высокая теплопроводность подавляет формирование горячих точек и механическое зажигание. Эмпирическое уравнение y = 85,62527 − 101,06403 exp(−x/0,35142) улавливает этот тренд, где x — k (Вт·м⁻¹·К⁻¹) и y — H₅₀ (см).

Детонационная производительность

Теоретические детонационные параметры (EXPLO5) и измеренные скорости для сырого CL-20 и композитов суммированы в Таблице 2. Хотя фактические скорости слегка ниже теоретических предсказаний — атрибутируемых окружающим и инструментальным факторам — включение только CNT снижает скорость на ~200 м/с, в то время как rGO + CNT смесь сохраняет производительность, сопоставимую с базовым материалом. Таким образом, синергетический наполнитель сохраняет энергетический выход, улучшая безопасность.

Заключение

Включение rGO и CNT в CL-20 значимо повышает теплопроводность, образуя надежную трехмерную теплопереносную сеть. Это усиление переводится в существенное падение ударной чувствительности, как квантифицировано H₅₀, без ущерба детонационной энергии. Эмпирическая корреляция между k и чувствительностью подчеркивает ключевую роль теплового управления в безопасности взрывчатки. Будущая работа изучит оптимальные rGO:CNT соотношения для дальнейшего балансирования производительности и безопасности.

Аббревиатуры

CFRP:

Углеродно-волокнистый пластик

CL-20:

2,4,6,8,10,12-Гексаннидро-2,4,6,8,10,12-гексазаизовуртцитан

CNT:

Углеродная нанотрубка

DSC:

Дифференциальный сканирующий калориметр

GNP:

Графеновые нанопластинки

H₅₀:

Специальная высота

HMX:

1,3,5,7-Тетранитро-1,3,5,7-тетразоцин

PBX:

Полимер-связанная взрывчатка

RDX:

Гексагидро-1,3,5-тринитро-1,3,5-триазин

rGO:

Восстановленный оксид графена

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

SWNT:

Одностенная углеродная нанотрубка

VDW:

Ван-дер-ваальсовая сила

XRD:

Рентгеновская дифракция