CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS
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  • 2024年第5期文章目次
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    • >制备与性能
    • 核壳结构nAl@Cu(BTC)/Fe(BTC)纳米铝热剂的制备及燃烧性能

      2024, 32(5):465-474. DOI: 10.11943/CJEM2023268

      摘要 (84) HTML (12) PDF 2.76 M (159) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了解决纳米铝热剂的制备工艺中组分分布不均匀和燃烧效率低等问题,采用层层组装技术将铜-均苯三甲酸(Cu(BTC))和铁-均苯三甲酸(Fe(BTC))交替包覆在nAl表面,制备核壳结构nAl@Cu(BTC)/Fe(BTC)纳米铝热剂,并对其结构、形貌、热反应性能(铝热反应温度)和燃烧性能(燃烧时间、点火延迟时间和燃烧温度等)进行研究。结果表明:层层组装技术可以调控包覆层的厚度和形貌,随着包覆层厚度的增加纳米铝热剂从粗糙疏松逐渐变得光滑致密;交替包覆12层Cu(BTC)/Fe(BTC)的纳米铝热剂燃烧剧烈,火焰传播速率较快,在0.710 s内火焰达到最大,具有适中的点火延迟时间(0.509 s)、最短的燃烧时间(2.036 s)和最高的燃烧温度(1425 ℃),此时,Cu(BTC)和Fe(BTC)的协同作用使其铝氧化反应温度峰值降低到552.5 ℃和735.0 ℃。

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    • 1,3,5,5-四硝基六氢嘧啶与1,4,6,6-四硝基-1,4-二氮杂环庚烷的合成、晶体结构及性能

      2024, 32(5):475-483. DOI: 10.11943/CJEM2023201

      摘要 (81) HTML (36) PDF 1.70 M (153) 评论 (0) 收藏

      摘要:以2,2-二硝基-1,3-丙二醇为原料,分别与叔丁胺和乙二胺反应后再经硝化,合成了2种爆轰性能优异、热稳定性良好的氮杂脂肪环含能化合物:1,3,5,5-四硝基六氢嘧啶(DNNC)与1,4,6,6-四硝基-1,4-二氮杂环庚烷(TNDA)。利用核磁波谱、红外光谱、X射线单晶衍射等手段对目标化合物进行了结构表征;利用差示扫描量热-热重联用研究了其热分解行为;采用BAM测试方法测试了DNNC与TNDA的撞击感度和摩擦感度;基于等键方程与EXPLO5预测了其生成焓与爆轰参数。结果表明,DNNC单晶中环己烷骨架与TNDA单晶中环庚烷骨架均为椅式构象,两种化合物都存在广泛的分子间、分子内非经典氢键;DNNC的相变温度为155.0 ℃,热分解温度为215.3 ℃,TNDA的相变温度为154.5 ℃,热分解温度为205.9 ℃;DNNC的撞击感度为25 J、摩擦感度为144 N,TNDA的撞击感度为17.5 J、摩擦感度为240 N,均比黑索今(RDX)与奥克托今(HMX)钝感;两种化合物的理论爆速分别为8772 m·s-1、7828 m·s-1,理论爆压分别为34.8 GPa、25.0 GPa。

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    • 八核铁簇化合物的制备、表征及其对高氯酸铵的热分解催化

      2024, 32(5):484-491. DOI: 10.11943/CJEM2023169

      摘要 (49) HTML (12) PDF 1.52 M (155) 评论 (0) 收藏

      摘要:以5,5"-{[3,3"-双(1,2,4-噁二唑)]-5,5"-基}-双(1-羟基四唑)为配体,通过溶剂热法制备了一种新型含能铁簇化合物 [Fe2(μ2-CH3O)(μ3-OH)(μ2-O)(BODTO2-)(H2O)]41),并对其进行了单晶X-射线衍射、差示扫描量热和热重分析等表征,分析了其结构和热稳定性,同时通过差热分析仪研究了化合物1对高氯酸铵(AP)热分解的催化性能。测试结果表明,化合物1为立方晶系I-43d空间群,密度为1.506 g·cm-3;晶体结构中Fe3+与Fe3+通过氧原子桥联,形成笼状结构;热分解峰值温度为513.9,617.6 K和669.4 K;爆速为6.94 km·s-1,爆压为19.09 GPa;撞击感度为15 J,摩擦感度为360 N。当添加质量分数为10%的化合物1时,AP的高温分解温度降低65 K,活化能降低82.2 kJ·mol-1,证实该铁簇化合物对AP的热分解具有较好的催化活性,具有应用于含能燃烧催化剂的潜质。

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    • HMX基O/W型悬浮油墨的喷墨打印成型及性能

      2024, 32(5):492-500. DOI: 10.11943/CJEM2024040

      摘要 (55) HTML (17) PDF 1.99 M (132) 评论 (0) 收藏

      摘要:为探究乳液型炸药油墨与喷墨打印工艺结合的可行性,设计了以氟碳树脂(FEVE)的乙酸乙酯溶液为油相,聚乙烯醇(PVA)水溶液为水相的水包油(O/W)型双组分黏结剂体系,并选用微纳米HMX为主体炸药,制备O/W悬浮型炸药油墨进行了喷墨打印。采用电子密度测试仪、激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米压痕仪、同步热分析TG-DSC、撞击和摩擦感度测试仪对喷墨打印成型样品的密度、形貌、力学性能、热安全性能、撞击感度和摩擦感度进行了表征,对喷墨打印成型样品的爆速和临界尺寸进行了测试。结果表明:喷墨打印成型样品表面较平整,线平均粗糙度为7.346 µm,且内部颗粒分布紧实,内部的HMX未转晶,热稳定性及力学性能较好。样品的实测密度为1.5326 g·cm-1(83%TMD);样品的撞击能为7 J,摩擦荷重为144 N,截面尺寸1 mm×1mm打印样品的爆速为7076 m·s-1和临界尺寸为1 mm×0.087 mm,具有优异的安全性能和微尺度爆轰性能。

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    • >计算与模拟
    • 中性硝基分子几何形状与晶体特性的关联性

      2024, 32(5):501-509. DOI: 10.11943/CJEM2023263

      摘要 (45) HTML (17) PDF 1.50 M (178) 评论 (0) 收藏

      摘要:含能晶体堆积结构是影响其感度的重要因素之一,通过晶体中分子层间滑移来缓冲外界刺激是降低含能材料感度的重要机制。为了更好地设计低感高能分子, 理解分子的几何形状与其晶体特性的内在关系十分重要。研究以剑桥晶体数据库中的CHNO类中性硝基分子为样本,采用假设检验方法(包括Z检验、t检验和χ2检验)研究了分子的几何形状与其晶体密度、堆积系数及可滑移性之间的关联性。结果表明,在球形、平面和线形分子中,球形分子有最高的晶体密度和堆积系数,但晶体可滑移性较弱;平面度高的平面形分子通过高堆积系数可获得与球形分子相当的晶体密度,同时平面形分子的晶体可滑移性较强,其χ2检验的置信度接近1;线形分子则不如前两者。虽然存在某些高晶体密度和堆积系数的含能晶体不具有可滑移的层状堆积结构,但整体而言,可滑移晶体的晶体密度和堆积系数均比不可滑移晶体大,其Z检验与t检验的置信度均大于0.95,表明通过设计易于发生分子层间滑移的晶体结构来降低其感度与提升晶体密度并不矛盾。平面形分子晶体密度一般较高,与晶体可滑移性强相关,是设计低感高能分子的首选。

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    • 等离子射流在模拟液体发射药中扩展特性的数值模拟

      2024, 32(5):510-517. DOI: 10.11943/CJEM2023206

      摘要 (31) HTML (17) PDF 1.61 M (117) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了深入认识液体工质电热化学炮中等离子射流的点火过程,开展了等离子射流在液体发射药LP1846模拟工质中扩展特性的研究,建立了等离子射流在液体中扩展的二维轴对称非稳态数学模型,并基于液体工质为水的文献实验进行模型验证。在此基础上对等离子射流在LP1846液体发射药模拟工质中的扩展过程进行数值模拟,分析等离子射流在扩展过程中形态的变化以及射流场压力、速度和温度的分布特性。结果表明,扩展过程中由于Taylor-Helmholtz不稳定性,等离子射流和液体发射药模拟工质两相间存在湍流掺混现象,并随着扩展逐渐加剧,表现为射流头部凸出并逐渐轴向拉长形成尖头,同时射流卷吸液体发射药模拟工质在Taylor空腔中产生液滴,且数量逐渐增多。此外,等离子射流扩展过程中近喷孔处由于液体发射药模拟工质回流而出现颈缩现象。射流场由于膨胀波-压缩波交替作用而存在波动现象,且在近喷孔处尤为剧烈,表现为压力场呈现高低压相间分布,速度场也呈类似分布。

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    • 基于分子链演化的NEPE推进剂基体超弹本构模型

      2024, 32(5):518-527. DOI: 10.11943/CJEM2023236

      摘要 (25) HTML (14) PDF 1.62 M (128) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了揭示硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂基体内高分子链结构演化与超弹性力学行为间的构效关系,采用多尺度方法,对复杂变形状态下NEPE推进剂基体内的高分子链演化过程及其表征模型进行了研究。首先,在基体黏合剂、固化剂和增塑剂等组分微观模型的基础上,通过对基体体系的分子动力学模拟,发展了描述复杂变形状态下交联链和自由链构形演化的动力学模型。随后,基于统计力学理论对系统自由能中交联链和自由链演化的贡献进行了定量表征,并建立了考虑高分子链交联、缠结效应的超弹本构模型。最后,结合NEPE推进剂基体胶片准静态拉伸实验数据对本构模型进行了验证。结果表明,相较于经典Arruda-Boyce超弹本构模型,基于物理机制的本构模型中本构参数具有真实的物理意义,可以通过物化实验进行参数标定,能较好地预测复杂变形状态下的基体超弹性行为,从而为推进剂基体力学性能的调控和组分优化提供模型支持。

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    • 裂纹长度对PBX代用材料表观断裂韧性Kc的影响

      2024, 32(5):528-536. DOI: 10.11943/CJEM2024029

      摘要 (42) HTML (16) PDF 1.09 M (155) 评论 (0) 收藏

      摘要:表观断裂韧性(Kc)是表征高聚物粘结炸药(PBX)抵抗裂纹萌生和裂纹扩展的重要材料性能,研究表观断裂韧性Kc的尺寸效应对预测不同尺度的PBX的起裂及失效行为具有重要意义。通过中心裂纹巴西圆盘(CSTBD)试验,对PBX代用材料的表观断裂韧性Kc的尺寸效应特性进行研究,通过断裂试验研究了不同裂纹长度(2,4,6,8,10 mm)对CSTBD试样表观断裂韧性Kc的影响。并采用了传统的最大切应力(MTS)准则以及考虑Willimas级数高阶项系数和断裂扩展区(FPZ)长度预估模型的修正最大切应力(MMTS)准则,对PBX代用材料的表观断裂韧性Kc的尺寸效应解释。结果发现,随着裂纹长度的增加,Kc从0.139 MPa·m0.5增长至0.251 MPa·m0.5,并且随着裂纹长度的增加Kc趋于稳定。在使用A3项修正的FPZ长度预估模型下,相较于传统的MTS准则,使用MMTS准则能够很好地解释PBX代用材料表观断裂韧性Kc的尺寸效应。

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    • >分析与检测
    • 紫外分光光度计法测定硝化纤维素含氮量

      2024, 32(5):537-544. DOI: 10.11943/CJEM2023203

      摘要 (26) HTML (18) PDF 922.43 K (111) 评论 (0) 收藏

      摘要:为发展绿色无毒、操作简单且结果准确的NC含氮量测量方法,基于硝化纤维素(NC)在碱液中水解后产生的亚硝酸根(NO2-)与硝酸根(NO3-)的摩尔比与NC含氮量之间的线性关系,采用紫外分光光度计法分析了NC含氮量。在相同的反应条件下水解5种已知含氮量的NC标品,通过紫外分光光度计测定了水解液中的NO2-和NO3-含量,对测量体系的反应条件进行了优化;通过最小二乘法确定NO2-和NO3-的摩尔比(y)与NC标品含氮量(x)之间的线性关系;最后用3种验证用NC样品对此法进行验证。结果表明,通过紫外分光光度计可同时测定碱解液中NO2-和NO3-的含量,其最佳反应条件为:氨基磺酸浓度为20 g·L-1,反应时间为30 min;在最佳反应条件下得到了R2为0.9893的yx间的线性关系式;验证结果表明,采用紫外分光光度计法得到的含氮量与实际含氮量非常吻合,相对标准偏差RSD(n=4)均小于0.150%。

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    • 基于深度学习的PBX裂纹像素级识别方法

      2024, 32(5):545-553. DOI: 10.11943/CJEM2023212

      摘要 (55) HTML (19) PDF 2.12 M (133) 评论 (0) 收藏

      摘要:高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive, PBX)内部裂纹对其性能及可靠性具有明显影响,裂纹的精确识别是PBX内部质量检测的关键。针对PBX内部裂纹识别,基于U-Net和SegNet两种像素级图像识别网络,建立了5种深度学习网络,对比研究了网络连接方式和预训练模型对裂纹识别的影响。基于CT获取的PBX裂纹图建立了数据集,对5种网络进行了训练,采用准确率(A)、F1值(F1)和平均交并比(MIoU)指标对网络进行了评估,在此基础上选择细节识别性能最优的网络用于PBX裂纹的识别和量化分析。结果表明,针对裂纹像素级识别,U-Net型网络优于Seg-Net型网络,网络中Concatenate操作比Pooling Indices操作保留更多图像细节信息,采用预训练模型MobileNet和ResNet可以提高网络训练速度,但导致其裂纹像素级识别性能降低。利用建立的识别方法开展PBX裂纹识别研究,实现了对PBX裂纹的像素级识别,裂纹检出率0.9570,单像素识别准确率为0.9936,MIoU为0.9873,相对裂纹面积为0.7585。

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    • >综述
    • 复合固体推进剂界面多尺度数值模拟研究进展

      2024, 32(5):554-569. DOI: 10.11943/CJEM2023239

      摘要 (85) HTML (18) PDF 2.72 M (184) 评论 (0) 收藏

      摘要:固体推进剂界面作为固体发动机结构中力学性质相对薄弱的部分之一,明确其物化性质、损伤演化模式以及脱湿对推进剂结构完整性的影响是极其重要的研究内容。与实验相比,利用数值模拟能够快速、高效地研究各种界面体系下的不同物化性质,具有较好的应用前景。从微观尺度分子动力学、细观尺度有限元数值仿真与宏观数值模拟角度出发,综述了复合固体推进剂多种界面力学性质的研究进展,探讨了多尺度下复合固体推进剂界面数值模拟对固体推进剂工程设计的推动作用与目前存在的不足,并展望了未来的发展方向。

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《含能材料》编辑部

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