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用UV光固化驯服世界上最烈的炸药

2019-06-27    

中国照明网报道

   作者:杜鹏  

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导语: 学名六硝基六氮杂异伍兹烷的CL-20炸药,是目前已知威力最强大、能量最高的可实际应用的非核单质炸药。其爆轰速度高达9500米/秒,并具有更低的可见烟雾,被称为第四代炸药。这一炸药的出现,也为导弹、核装置等武器的小型化和效能提升带来了全新的发展契机。

  学名六硝基六氮杂异伍兹烷的CL-20炸药,是目前已知威力最强大、能量最高的可实际应用的非核单质炸药。其爆轰速度高达9500米/秒,并具有更低的可见烟雾,被称为第四代炸药。这一炸药的出现,也为导弹、核装置等武器的小型化和效能提升带来了全新的发展契机。


图1 CL-20的分子结构和晶型外观

  随着武器信息化和各种微武器的出现,具有信息化、结构小型化和序列集成等主要特点的引爆设备也不断出现。集成了体积微小、信息化以及多功能为一体的微机电系统设备(MEMS)大大减小了引爆装置的尺寸,并改善了武器装备的安全性和可靠性。

  在这种场景下,传统的炸药装填技术已经不能满足安全性、性能及生产效率的要求,因此墨水直写技术(DIW)就应运而生。墨水直写技术已经成为美国陆军当前MEMS中炸药填充的主要方式。这种炸药墨水是一个多组分体系,通常包含炸药、连接料和其他添加剂。炸药墨水通常有两种方式:全液体型和悬浮型。全液体型是将炸药、连接料和添加剂溶解在有机溶剂中。但是CL-20的晶型不易控制,在应用中容易导致安全问题,而且墨水书写和干燥的时间也很长。悬浮型炸药墨水是通过热引发聚合来进行固化的,它很难在短时间内固化完全。另外,这种悬浮体系在制作准备的过程中存在较严重的物料浪费情况。其他的一些体系对于MEMS设备也不是特别实用。在这种情况下,UV光固化技术作为一种快速固化、绿色节能,而且固化后材料具有优良性能的技术,在能量材料制备方面就充当了重要的角色。来自中北大学的安崇伟教授等人成功采用了UV光固化技术来制备了基于CL-20的高性能引爆体系。


图2 基于CL-20的UV光固化引爆系统的制备示意图

  这一UV光固化的炸药墨水通过将亚微结构的CL-20炸药和光固化树脂及光引发剂混合,并添加少量乙醇得到的。混合均匀的炸药墨水被填充到注射器中,再在铝板槽中进行墨水直写,之后进行UV固化,再进行燃爆测试。槽的长度为100mm,宽度1-1.2mm,最大深度3mm。

  对墨水进行UV固化3分钟后,再放置7分钟硬度即达到2H,材料的制备工作就已经完成。和需要在40°C温度下固化120小时的CL-20/GAP墨水体系,以及由Daniel Stec创造的需要在室温下固化12-24小时的CL-20体系相比,这一UV光固化技术的固化时间得到了质的提升。

  通过扫描电镜观察发现,研磨之后的亚微结构CL-20颗粒尺寸为100-300nm,粒径分布均匀,颗粒呈现球状,同时表面粗糙度得到大大降低。如图3 a所示,UV光固化之后的基于CL-20的炸药材料表面光滑平坦。不过在更大放大倍数下,仍然可以看到表面上存在一些小孔,这可能是因为乙醇挥发时填充进的空气导致的(图3 b)。从图中也可以看出,交联固化之后的光固化树脂作为连结料将CL-20的结晶颗粒连接在一起形成了蜂巢状结构。


图3 基于CL-20的UV光固化炸药材料固化后的电子扫描电镜图。表面(a,b),和横截面(c,d)

  对UV光固化炸药墨水的引爆实验表明,随着沟槽深度的减少,爆炸的痕迹也逐渐变窄,表明爆炸能量也逐渐减弱,不存在急剧增加或减少的情况存在。这说明这一材料体系在小尺寸填充条件下具有很高的引爆可靠性。实验确认了该材料的临界爆轰尺寸低至0.078mm。

  从图4中可以看出,基于CL-20的UV光固化炸药材料可以在微沟槽中被可靠和稳定地引爆。填充的沟槽具有明显的爆炸痕迹和变形。当样品的密度为1.67g•cm-3时,平均轰爆速度为7357ms-1。该结果表明这一材料具有更高的成型密度效应和更少的内部缺陷,在沟槽内的爆炸也是稳定的。


图4 基于CL-20的UV光固化炸药材料在引爆速度测试中,引爆前和引爆后的光学照片

  在连续90°转角条件下的引爆性能测试显示(图5),基于CL-20的UV光固化炸药材料可以可靠地在这种网络结构中进行引爆,并顺利经过多个90°转角。同时,越靠近中心的爆炸痕迹越宽(图5 b),这种现象应该是因为网络中心爆炸的约束性比网络边缘更强,或者说在外围区域的引爆中能量丢失更多。


图5 基于CL-20的UV光固化炸药材料在连续90°转角条件下的引爆性能测试

  从表1可以看出,亚微结构CL-20的撞击敏感度H50值比未加工CL-20要高21.2cm,其撞击敏感度得到了大大降低。而基于CL-20复合材料的H50值则增加到了40.6cm,比未加工CL-20增加到了3.07倍。这应该主要是因为在复合材料中的CL-20具有更小粒径、更大比表面积、更光滑表面,以及更少棱角,从而更难形成热点所致。因此复合材料的敏感度得到了大大的降低,同时,包覆在CL-20表面的连结料也降低了颗粒之间的摩擦,起到了对外部冲击的缓冲效果,从而极大程度降低了热点形成的可能性。


表1 未加工CL-20,亚微结构CL-20和基于CL-20复合材料的撞击敏感度

  这一工作表明,采用UV光固化树脂可以对史上最强炸药CL-20进行有效的处理,得到可以进行快速UV光固化的直写墨水。对这一炸药墨水采用墨水直写方式以及UV光固化技术在微尺寸设备中进行填充,可以大大提高固化的效率。所得到的材料同时具有快固化速度、更少内部缺陷,更低撞击敏感度,临界爆轰尺寸低至0.078mm,而轰爆速度则达到7357ms-1。

  UV光固化技术再次显现出其卓越的技术特点和优势,将进一步加速国防工业的快速发展。

  参考资料

  https://en.wikipedia.org/wiki/Hexanitrohexaazaisowurtzitane

  Guo, H., Xu, S., Gao, H., Geng, X., An, C., Xu, C., … Wang, J. (2019). CL‐20 based Ultraviolet Curing Explosive Composite with High Performance. Propellants, Explosives, Pyrotechnics.

  D. Wang, B. Zheng, C. Guo, B. Gao, J. Wang, G. Yang, H. Huang, F. Nie, Formulation and Performance of Functional Sub-Micro CL-20-based Energetic Polymer Composite Ink for Direct-Write Assembly, RSC Adv. 2016, 6, 112325–112331.

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  作者简介

  杜鹏,四川大学高分子硕士,香港科技大学MBA。从事光固化行业20余年,先后在跨国企业和民营企业从事技术、销售和管理工作。铁人三项运动选手。

编辑:严志祥

来源:光固化新材料

   作者:杜鹏  

标签:CL-20  炸药  DIW  墨水直写  MEMS  

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