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《超細晶體尺寸含能反應(yīng)材料配方的雙重優(yōu)勢》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、超細晶體尺寸含能/反應(yīng)材料配方的雙重優(yōu)勢RonaldW.ArmstrongCenterforEnergeticConceptsDevelopment,UniversityofMarylandCollegePark,MD20742,U.S.A.摘要研究表明：將炸藥或推進劑配方設(shè)計成具有更小的顆粒尺寸，能夠得到更好的機械不敏感性和更高的能量釋放速度。關(guān)鍵詞RDX，HMX，機械不敏感性，能量釋放速度，錯位，晶體，硬度，沖擊，燃燒，顆粒壓實，沖擊負荷引言高能炸藥如RDX（黑索今，環(huán)三亞甲基三硝胺，[CH2NNO2]3），HMX（奧克托今，環(huán)四亞甲基四硝胺，[CH2
2、NNO2]4）以及PETN（太安，季戊四醇四硝酸酯，C[CH2NNO2]4）具有機械力引爆的相對不敏感性。但是，同樣是這些含能材料，一旦起爆，將會產(chǎn)生強大的爆炸力。以上兩個特性使得這些材料在彈藥和推進劑工程中得到使用，引起廣泛關(guān)注。機械不敏感性的提高：更高的強度使用機械力和形變完成RDX和相關(guān)含能材料的起爆，至少達到低沖擊負荷率已被歸因于晶體尺寸和溫度熱點的局部發(fā)展。反過來，任何引入機械的熱點所需的溫升已被歸因于從塑性應(yīng)變開始的塑性功的熱轉(zhuǎn)化。因此，更高的抗塑性和材料的強度水平密切相關(guān)，才能導致一個更好的外加機械力不敏感性。同時，對多晶態(tài)而言，加強材料的一
3、個重要的方法是細化晶粒尺寸，如果它們通過機械負荷（晶體柱或顆粒壓實）相互聯(lián)系，則可以改進其晶體的大小。能量釋放速度的提高：更大的威力化學反應(yīng)/分解在材料的外表面或內(nèi)表面、界面或其它缺陷結(jié)構(gòu)上發(fā)生的速度會增加。高能炸藥的分解產(chǎn)物是氣體物種，能夠在更接近自由表面處得到釋放。同時，鋁顆粒是許多含能材料復合物配方的重要組成部分。由顆粒表面向外擴散的鋁原子氧化所釋放能量的速度比爆炸反應(yīng)時的速度低。該綜合考慮可導致總體能量釋放速度的提高，使更小的的顆粒具有更大的表面積和體積。圖1給出了一種含能推進劑配方燃燒的復雜性（覆蓋維度范圍寬），燃燒發(fā)生在液體層。再復合物配方燃燒
4、表面從微米到毫米級階段（圖1），熱應(yīng)變的發(fā)生將導致多邊形晶體（如RDX）中的塑性流動，以“T”表示位錯，表現(xiàn)在滑移帶穿越晶體橫截面[2]。該熱應(yīng)變所產(chǎn)生的微裂痕會導致壓力感度升高。由給出的相鄰晶體剖面視圖可以看出內(nèi)部生長區(qū)域、生長區(qū)域邊界以及生長位錯[3]。在圖的右下角，可觀察到RDX晶胞[002]面投影，如圖中矩形框內(nèi)及其鄰近部分，作為位錯核區(qū)域RDX分子的位置：[040]滑移面上的[100]伯格斯矢量。圖1.推進劑燃燒的宏觀到納米結(jié)構(gòu)變形：壓力和溫度梯度，粘彈性和粘塑性復合物組分間內(nèi)應(yīng)力及位錯結(jié)構(gòu)[1]結(jié)構(gòu)表征晶體形貌和尺寸正交晶系RDX的晶胞結(jié)構(gòu)反映
5、在外表面平面形成多邊形晶體生長形貌的幾何分布當中。這些晶體生長表面可在晶體學上進行識別，例如：在圖2中，右下角的片狀晶體表現(xiàn)出一個[111]錐面和一個覆蓋在錐面上的[001]平面，正是RDX的晶體裂開面[3]。而更有意思的是，在圖2的左上角，可觀察到更大的晶體上似乎有一個[001]頂面，由部分旋轉(zhuǎn)導致產(chǎn)生了一個扭轉(zhuǎn)缺陷。除此以外，在兩對相鄰[111]平面的邊緣交叉點形成的不匹配角結(jié)構(gòu)上可觀察到一個更小的晶體。該晶體證實了位錯缺陷具有重要作用，隨著晶體各向異性表面能的變化，位錯缺陷可決定大部分不同溶劑、不同生長條件下的晶體形貌和尺寸。圖2.重結(jié)晶得到RDX掃
6、描電鏡照片[4]位錯結(jié)構(gòu)在含有生長界限和位錯束帶的內(nèi)部生長區(qū)域理論（如圖1中所提到），已在RDX上得到驗證[3]。不同晶體的X射線衍射結(jié)果和形貌圖已反映出：由于大規(guī)模位錯伯格斯矢量的出現(xiàn)，這些分子晶體具有相對放大的內(nèi)應(yīng)變量。據(jù)推測，這是由于不規(guī)則形狀分子間的弱鍵結(jié)合導致的。然而，與實驗結(jié)果相一致的是，將位錯自能和晶體表面能進行比較，有望得到晶體生長時相對較低的位錯密度。位錯移動模型有望導致相對較強的運動限制。同樣，該結(jié)果與實驗結(jié)果相一致。晶體的硬度性質(zhì)基于實驗結(jié)果和分子鍵模型及位錯表征，可知RDX、HMX、PETN及相關(guān)晶體是具有彈性、相對柔性、塑性、相對
7、較硬、有裂縫且相對脆性的[3]。如圖3所示，許多含能材料和惰性材料（包括Al）應(yīng)變行為理論和實驗硬度的比較，都很好地解釋了其機械性質(zhì)的結(jié)合[1]。由圖3左下角開始，氯化鈉（NaCl）的剛性離子鍵會產(chǎn)生一個升高的赫茲線性高彈行為（與RDX相比），位錯移動的減少導致了更大的硬度。同樣，與PETN和HMX相比較，RDX的相對脆性更低，如彈性裂紋壓力σc理論所示。與NaCl相比，相當于一個1.59mm的鋼球。該碎裂應(yīng)力比更大直徑的球要小，如MgO的兩個球尺寸。碎裂之所以發(fā)生在RDX具有較小硬度值（相對σc）的塑性壓痕處，是因為位錯推移應(yīng)力的集中效應(yīng)[5]。另一方面
8、，RDX裂紋生長所需應(yīng)力強度壓痕斷裂力學的測量表明：塑流在裂紋尖端
