CN116023197A - 一种复合含能粒子及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于含能材料领域，具体公开了一种复合含能粒子及其制备方法，所公开的复合含能粒子包括含能微球、ADN和粘结剂；所述含能微球为核壳结构，且核壳结构的内核为NTO，外壳为铝粉和碳粉；含能微球之间镶嵌有ADN。所公开的制备方法包括(1)将NTO和铝粉混合研磨制备铝化NTO；(2)将铝化NTO和碳粉混合制备含能微球；(3)将粘结剂、ADN和含能微球混合制备复合含能粒子。本发明的复合含能粒子制备混合***的应用，所述混合***通过熔铸或者浇注工艺制备。可降低NTO及相关替换物对金属的腐蚀性，与铜、不锈钢、铝不发生严重腐蚀；并且本发明具有低感度的优点，复合含能粒子的机械感度低于40％。
Description
技术领域
本发明属于含能材料领域，具体涉及一种复合含能粒子及其制备方法。
技术背景
***装药是武器***的主要能量源，其性能决定了武器***的作战效果。作为***装药的核心组分，含能材料的能量和安全性直接决定了***装药乃至整个武器***的威力和安全性。为此，行业内一直致力于研究高能量不敏感的单质含能材料。
3-硝基-1，2，4-***-5-酮，又称5-硝基-1，2，4-***-3-酮或2，4-二氢-5-硝基-3-氢-2，4-***-3-酮，简称NTO，是一种白色晶体物质，密度为1.93g/cm3，理论爆轰速度为8560m/s，是一种能量与黑索今相当，而易损性优于黑索今，具有广泛应用前景的高能量密度含能材料。然而，NTO单质具有较强的酸性，对金属具有较强的腐蚀性，现有技术主要采用高分子粘结剂包覆，减少单质NTO与金属材料的接触从而降低NTO的酸性损害。
根据文献分析，NTO目前仅仅适用于浇铸体系和熔铸体系的混合***，而不适用于压装体系。因为浇铸体系和熔铸体系的混合***在包覆、成型过程中，包覆材料与NTO可以形成稳定的包覆结构，减少单质NTO的裸露机会，从而抑制NTO的酸性，避免其酸性带来的危害。对于压装体系的混合***，真空安定性试验结果表明包覆后的NTO基***与金属是相容的，酸性得到了抑制的主要原因是真空安定性试验样品中NTO的高分子包覆层没有受到破坏。而压装***在装药时，***造型粉需在较高压力下压制成型，高分子包覆材料和NTO会发生变形、脱离，致使NTO晶体裸露，提高了NTO酸性的危害性。
上述浇铸、熔铸和压装体系并没有解决NTO自身与金属的作用问题，仅仅是通过物理隔离减小接触，一旦含能材料裸露，则风险剧增。
发明内容
目前广泛应用的主要硝铵类含能材料RDX、HMX等均是酸性的，其对金属的腐蚀表现为轻微腐蚀。分析NTO和RDX的差异，发现RDX与金属的作用仅仅是表界面作用，表层的RDX颗粒与金属接触面发生腐蚀作用消耗微量RDX后形成的金属氧化物抑制RDX和金属的接触，因此腐蚀性较小。NTO分子结构中的硝基和羰基具有较强的吸电子效应，致使其1位和4位上的氮原子基团上的电子云密度降低，氢以亚稳态分布，NTO与金属接触后氢粒子析出，由于电子的诱导效应，临近的NTO继续析出氢离子，腐蚀行为持续发生。
基于此，本发明的构思是改变以往物理阻隔减小接触的思路，主要减小NTO分子的诱导作用。基于该构思，本发明另辟蹊径地设计一种结构使NTO与RDX一样仅仅与金属表面发生氧化反应，这样含NTO的复合材料或者混合***就不会持续腐蚀金属。与行业内通用做法不同，该构思既不是将NTO完全包覆，也不是消除NTO的酸性，而是允许NTO裸露，只是在酸性条件下减小对金属的腐蚀，减小NTO分子的诱导作用，行业内通用的包覆膜厚度是不够的，而要增加包覆膜厚度必然要增加惰性体含量，降低了体系的能量；为了实现既能减小NTO分子的诱导作用，又不降低体系能量的目的，本发明的构思是选择一种可以参与含能材料***反应的金属颗粒进行物理阻断，减小NTO分子的诱导作用。选取的金属颗粒的活泼性不能低于壳体材料，金属颗粒能够通过自身氧化形成微电池，保护与NTO接触的金属壳体，实现降低NTO对金属腐蚀的目的。
本发明的设计思路是：本发明设计一种复合含能粒子，包括含能微球、二硝酰胺铵(代号ADN)和粘结剂组成；含能微球为核壳结构复合材料，内核为NTO，外壳为粒度小于NTO的铝粉和碳粉，通过铝粉和碳粉进行物理阻隔，减小NTO分子的诱导作用，碳粉能够提高体系的导电性，铝粉在NTO腐蚀金属时与金属形成原位微电池，通过牺牲局部的铝粉保护接触面的金属；含能微球之间镶嵌少量的AND，ADN是一种胺盐类高能化合物，其热稳定性和化学稳定性都较好，ADN有个显著的特点是吸湿性，在吸收空气中的水分后会发生水解显碱性，但是其水解后锁水能力较强，可以看作是一种含能干燥剂；粘结剂的目的是对含能微球、ADN进行包覆，在实现成型性和降感的同时，防止含能组分发生水解、氧化等。
基于上述原理，本发明提供了一种复合含能粒子的制备方法。
为此，所提供的制备方法包括：
(1)将NTO和铝粉混合研磨制备铝化NTO；
(2)将铝化NTO和碳粉混合制备含能微球；
(3)将粘结剂、ADN和含能微球混合制备复合含能粒子；所述粘结剂选自石蜡、乙烯-醋酸乙烯共聚物、氟橡胶、顺丁橡胶、天然橡胶中的一种或两种以上的混合物。
可选的方案是，按质量份计：NTO为100份，铝粉为10～30份，碳粉为0.1～0.3份，ADN为0.5～1份，粘结剂为4～7份。
可选的方案是，所述NTO的粒径50～800微米，所述AND的平均粒度为13微米；所述铝粉的粒径为200纳米～5000纳米；所述碳粉的粒径小于100纳米。
可选的方案是，将经无水乙醇浸润后的NTO与铝粉混合研磨，研磨后所得浆料经干燥得铝化NTO。
可选的方案是，所述混合研磨采用聚四氟乙烯研磨球研磨。
具体可选的方案是，将粘结剂的有机溶液、ADN和含能微球混合，混合物干燥后制得复合含能粒子。
另有些方案中，上述ADN用具有吸湿性且吸湿后显碱性的胺盐类化合物替代。
在微观结构上，本发明的复合含能粒子包括含能微球、ADN和粘结剂；所述含能微球为核壳结构，且核壳结构的内核为NTO，外壳为铝粉和碳粉；含能微球之间镶嵌有ADN。
本发明的复合含能粒子制备混合***的应用，所述混合***通过熔铸或者浇注工艺制备。可降低NTO及相关替换物对金属的腐蚀性，与铜、不锈钢、铝不发生严重腐蚀；并且本发明具有低感度的优点，复合含能粒子的机械感度低于40％。
附图说明
图1是本发明复合含能粒子结构示意图；图中，1-含能微球，2-ADN，3-粘结剂，4-NTO，5-铝粉，6-碳粉。
图2是本发明实施例1在共混包覆后的粒子进行扫描电镜。
图3是本发明实施例1压制过程的应力曲线。
图4是本发明实施例2药片对不锈钢的腐蚀后的不锈钢照片。
具体实施方式
除非有特殊说明，本文中的术语根据相关领域普通技术人员的认识理解。
下面结合具体实施例对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下实施例为本发明的部分优选示例，不对本发明做限定作用，在本发明制备方案基础上，本领域技术人员可对本发明方法中涉及的包括但不限于具体反应物、物料的配比、物料加入顺序、混合手段和装置、混合时长、干燥温度等进行优化选择以实现本发明的相关效果。
实施例1：
按照质量单位计，本实施例由以下原料组成：NTO为100份，铝粉为30份，碳粉为0.1份，ADN为0.5份，粘结剂7份。其中，NTO粒径100～800微米，ADN平均粒度为13微米；铝粉为球形颗粒，粒径5微米(5000纳米)；所述的碳粉粒径小于100纳米。所述的粘结剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物；
制备方法如下：
(1)将粒径为12毫米的聚四氟乙烯研磨球倒入研磨腔中；在NTO中加入无水乙醇浸润，每100克的NTO加入10毫升的无水乙醇；将浸润后的NTO和铝粉倒入研磨腔中；研磨15分钟，搅拌速度5转/分钟，研磨后的浆料经研磨腔的出料口排出，抽滤、烘干，得到铝化NTO；
(2)在无桨混合器中加入铝化NTO颗粒和碳粉，混合5分钟，转速10转/分钟，获得含能微球；
(3)在石油醚中加入乙烯-醋酸乙烯共聚物，加热至60℃搅拌至乙烯-醋酸乙烯共聚物完全溶解，加入含能微球和ADN，继续搅拌挥发石油醚，直至物料成为砂浆状，过筛，通风干燥，获得复合含能粒子。
实施例2：
按照质量单位计，本实施例由以下原料组成：NTO为100份，铝粉为10份，碳粉为0.3份，ADN为1份，粘结剂4份，其中，NTO粒径50微米～200微米，所述的ADN平均粒度为13微米；所述的铝粉为球形颗粒，粒径200纳米；所述的碳粉粒径小于100纳米；所用粘结剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物。本实施例制备方法同实施例1。
对比例：
该对比例与实施例1不同的是，制备方法不同，具体在石油醚中加入乙烯-醋酸乙烯共聚物，加热至60℃搅拌至乙烯-醋酸乙烯共聚物完全溶解，加入NTO、铝粉、碳粉、ADN，继续搅拌挥发石油醚，直至物料成为砂浆状，过筛，通风干燥，获得该对比例的制备物。
进一步对上述实施例1、2和对比例所制备物质进行性能评价：
(1)SEM:将实施例1的复合含能粒子进行扫描电镜分析，结果如图2所示，粒径5微米的铝粉嵌入在NTO表面，结构完整。
(2)成型性：取实施例1制备的复合含能粒子20克，放入到直径20毫米的模具中，压制成型，压制过程的应力应变曲线如图3所示。
(3)金属腐蚀性：参照国军标GJB772A-97方法504.1，将实施例1、实施例2制备的复合含能粒子和实施例1、实施例2制备的复合含能粒子压制成
的药片，分别与不锈钢、2A12和铍青铜进行腐蚀性试验，实验结果如表1所示，其中实施例2药片对不锈钢的腐蚀结果如图4所示。
(5)对实施例1和实施例2所获得的造型粉进行感度试验，结果如表1所示。
表1复合粒子测试数据
从表1和以上实施效果可以看出，本发明可以压制成型，压制成型后的药片降低NTO对金属的腐蚀性，与铜、不锈钢、铝不发生严重腐蚀；本发明安全性好，具有低感度的优点，复合粒子的机械感度低于40％。
Claims (10)
1.一种复合含能粒子的制备方法，其特征在于，方法包括：
(1)将NTO和铝粉混合研磨制备铝化NTO；
(2)将铝化NTO和碳粉混合制备含能微球；
(3)将粘结剂、ADN和含能微球混合制备复合含能粒子；所述粘结剂选自石蜡、乙烯-醋酸乙烯共聚物、氟橡胶、顺丁橡胶、天然橡胶中的一种或两种以上的混合物。
2.根据权利要求1所述复合含能粒子的制备方法，其特征在于，按质量份计：NTO为100份，铝粉为10～30份，碳粉为0.1～0.3份，ADN为0.5～1份，粘结剂为4～7份。
3.根据权利要求1所述复合含能粒子的制备方法，其特征在于，所述NTO的粒径50～800微米，所述AND的平均粒度为13微米；所述铝粉的粒径为200纳米～5000纳米；所述碳粉的粒径小于100纳米。
4.根据权利要求1所述复合含能粒子的制备方法，其特征在于，将经无水乙醇浸润后的NTO与铝粉混合研磨，研磨后所得浆料经干燥得铝化NTO。
5.根据权利要求1所述复合含能粒子的制备方法，其特征在于，所述混合研磨采用聚四氟乙烯研磨球研磨。
6.根据权利要求1所述复合含能粒子的制备方法，其特征在于，将粘结剂的有机溶液、ADN和含能微球混合，混合物干燥后制得复合含能粒子。
7.根据权利要求1所述复合含能粒子的制备方法，其特征在于，所述ADN用具有吸湿性且吸湿后显碱性的胺盐类化合物替代。
8.权利要求1所述制备方法制备的复合含能粒子，其特征在于，所述复合含能粒子包括含能微球(1)、ADN(2)和粘结剂(3)；
所述含能微球为核壳结构，且核壳结构的内核为NTO(4)，外壳为铝粉(5)和碳粉(6)；含能微球之间镶嵌有ADN(2)。
9.权利要求1所述制备方法制备的复合含能粒子制备混合***的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述混合***通过熔铸或者浇注工艺制备。
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