[發明專利]一種納米復合含能材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201610003408.3
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN105481617B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 宋小蘭;王毅;安崇偉;宋丹;王晶禹
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: C06B25/40
• 分類號: C06B25/40;C06B21/00
• 代理公司: 太原華弈知識產權代理事務所14108
• 代理人: 李毅

技術領域

本發明涉及一種含能材料，特別是涉及一種六硝基六氮雜異伍茲烷/硝化棉復合含能材料，以及該復合含能材料的制備方法。本發明的納米復合含能材料在改善含能組分安全特性、能量釋放效率及力學性能等方面具有良好的前景，可應用于固體推進劑、火炸藥和煙火藥等領域。

背景技術

當前含能材料的主要研究方向是追求“高能鈍感”。“高能”化可以通過研發新型高能組分和挖掘現有含能組分潛能實現。顯然，研發一種具有高能量密度，還能保證其化學穩定性好、感度低的新型單質含能材料是非常困難的，所以挖掘現有含能組分潛能是獲得“高能鈍感”含能材料的一個切實可行的方法。

六硝基六氮雜異伍茲烷，俗稱CL-20，能量密度約為12.6kJ/cm³，是目前已經工業化的能量最高的單質炸藥，具有高密度、高生成焓、高爆速和高爆壓等特點，能量輸出比HMX還要高出10～15%，并且與粘結劑和其它含能材料的相容性好，是一種極具前景的單質炸藥。然而，CL-20并沒有得到廣泛應用，最重要的原因是它的感度過高，其摩擦感度、撞擊感度和沖擊波感度均明顯高于RDX、HMX甚至PETN。

研究表明，單分子含能材料的能量釋放速度僅決定于其的化學反應速度，而復合含能材料的能量釋放速度則決定于化學反應速度和反應物間的質量傳輸速度。當前復合含能材料的能量密度超過了23kJ/cm³(ADN/Al復合材料)。但是，由于傳統復合含能材料的組分顆粒較大，氧化劑與還原劑的接觸面積小，導致反應物間的質量傳輸速度遠遠低于反應速度，盡管其能量密度高，能量的釋放速度卻很慢。

納米復合含能材料是指燃料組分和氧化劑組分中的至少一種組分在納米尺度(1～100nm)上的一類材料。由于組分反應物的尺寸降低到納米尺度，復合含能材料具有高的比表面積和較短的擴散距離，可以有效增加物質間的接觸界面，使其有可能增強化學動力學的作用，獲得高能量密度和高釋能速率的含能材料。同時，能夠通過改變納米尺度顆粒的組成來任意控制含能材料的能量釋放速率，這樣就可以加快燃燒速率，通過提高燃燒效率增加能量輸出，達到更加理想的狀態。另外，由于納米骨架在含能組分周圍充當了—個屏障，會吸收和轉移外界刺激產生的熱量，分散沖擊力作用，降低含能材料發生反應和爆炸的可能性。所以，納米復合含能材料可望在保證較高能量的前提下保持較低的感度。

目前關于納米復合含能材料也有一些報道。例如，宋小蘭等(南京理工大學，博士學位論文，2008)報道了納米HNIW/Fe₂O₃復合含能材料；張小濤等(機械管理開發，2011，6)報道了HNIW/Cr₂O₃納米復合含能材料。以上兩篇文獻均以無機硝酸鹽為水解前驅體，以1,2-環氧丙烷作為催化劑，引發溶膠-凝膠反應獲得復合含能材料，但由于引入了無機金屬氧化物作為惰性骨架，導致納米復合含能材料在感度降低的同時，能量特性也將大幅度下降，特別是在炸藥組分含量降低到一定程度(＜50%)時，其輸出能量將會驟減。

陳星等(西南科技大學，碩士學位論文，2012)采用聚疊氮縮水甘油醚(GAP)作為前驅體，以丙酮為溶劑獲得了HNIW/GAP納米復合含能材料。晉苗苗等(兵工學報，2014，35(6))采用硝化棉(NC)作為前驅體，丙酮為溶劑制備了納米NC/RDX復合含能材料。上述兩篇文獻均采用了含能骨架，提高了納米復合含能材料的輸出能量，但前者GAP價格很高，增加了制造成本，使得含能材料無法得到大量的工程應用。后者中盡管采用了價格低廉的NC含能前驅體，但RDX的能量比HNIW要低很多，則其復合含能材料的能量增加也將是有限的。另外，上述文獻中均采用丙酮為溶劑，T-12為催化劑，但由于丙酮極性較高，由此得到的復合凝膠為膏狀物質，不透明且無彈性，濕凝膠質量很差，且單獨使用T-12為催化劑時，凝膠時間較長(通常＞1天)。

發明內容

本發明的目的是提供一種能量較高、感度較低的CL-20/NC納米復合含能材料。

本發明的目的還在于提供一種反應周期短、操作簡單、溫和無毒的制備CL-20/NC納米復合含能材料的方法。

本發明所述的納米復合含能材料是以CL-20和NC為原料，按照CL-20∶NC=0.1～3∶1的質量比溶解在弱極性溶劑中制成透明溶液，加入異氰酸酯固化劑和復合催化劑形成濕凝膠，陳化后超臨界干燥除去溶劑得到的氣凝膠狀態的納米復合含能材料，其中，所述的復合催化劑為二丁基錫二月桂酸酯(T-12)與三乙烯二胺(TEDA)的混合物。