含能材料情况调研

精品文档 1欢迎下载 含能材料国内外发展现状与趋势含能材料国内外发展现状与趋势 含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物 能独立进行快速 化学反应并输出能量的化合物或混合物 其能量比常规炸药 通常为 103J g 至少高一个数量级 是实现高效毁伤的核心技术 这种材料在激发后 一般不 需要外界物质参与 即可使化学反应持续下去 快速释放出巨大的能量 它是 各类武器系统 包括弹道导弹和巡航导弹 必不可少的毁伤和动力能源材料 是炸药 发射药和推进剂配方的重要组分 按照应用领域的不同 将含能材料 分为军用和民用两大类 军用领域主要是火炸药和火工品 包括发射药 推进 剂 炸药 烟火剂 起爆药等 民用领域主要是用于开矿 土建 油田 地质 勘探 爆炸加工 烟花爆竹的炸药和烟火剂等 目前 习惯上也将含能材料称 为高能量密度物质 HEDM 它具有高能 低烧蚀 低特征信号 低易损性的性 能特点 常用浇铸 压装等工艺进行制备 进入 21 世纪以来 含能材料因实现能量的惊人突破而受到越来越多国家的 高度重视 美俄采取积极举措大力发展含能材料技术 在高活性金属储能技术 全氮物质 金属氢和核同质异能素研究上取得了重大突破 在美 俄的带领下 德国 瑞典 印度和日本等国也纷纷启动相关发展计划和研究项目 推动含能 材料的研究与应用 1 1本学科最新研究进展本学科最新研究进展 1 11 1含能材料相关理论和计算机模拟仿真技术含能材料相关理论和计算机模拟仿真技术 注意采用量子化学方法和 QSPR 模型通过对关注的芳烃类 唑类 富氮类 嗪类等高能量密度化合物 HEDC 的密度 生成热 能量 稳定性 爆速 爆 压等关键性能参数进行预估和分析 以此指导其合成 开发了基于配方组分数 据库的发射药和固体推进剂专家系统 便于进行其能量示性数的准确计算和配 方的优化设计 建立了低温感组合装药的内弹道模型 开发了可逆的装药设计 仿真软件 从而促进低温感装药技术在各类型号中的应用 基于有限元技术开发了熔铸炸药凝固过程数值模拟方法 该法可用于预测 精品文档 2欢迎下载 装药缩孔 裂纹 疏松等缺陷 指导熔铸炸药配方和工艺的优化设计 在混合 炸药能量设计方法上 由过去单纯从化学热力学角度开展设计发展至兼顾化学 热力学和化学动力学的设计思路 还重视了炸药能量输出结构与应用环境的匹 配 形成了针对空中爆炸 密闭空间爆炸及密实介质中爆炸等的设计方法 1 21 2高性能含能材料组分配方高性能含能材料组分配方 开展了高能 高强度 低敏感 高燃速等发射药配方研究 开发了相应的 优化配方 基于 NG DIANP 为混合含能增塑剂 RDX 为高能氧化剂开发的高能发 射药 在爆温 3500K 时火药力达 1275kJ kg 在 30mm 火炮的常 低温内弹道 试验时 膛内燃烧稳定 正常 开发的硝化棉 NC 基低敏感发射药和含能热 塑性弹性体 ETPE 基低敏感发射药 火药力分别达到 1205kJ kg 和 1250kJ kg 各项感度指标明显优于传统三基发射药 采用添加高燃速功能材料 使发射药的正比式燃速系数达到了 3mm s MPa 以上 是传统高能发射药的三 倍左右 高 低 常温燃烧稳定 开展了提高螺压 CMDB 推进剂 交联改性双基 XLDB 推进剂 HTPB 推进剂 硝酸酯增塑聚醚 NEPE 推进剂研究 开发的 螺压 CMDB 推进剂的 RDX 含量达到 50 以上 有效提高了 CMDB 推进剂的密度与 能量 而燃烧压力指数仍维持在 n 0 5 开发的含 CL 20 的 CMDB 推进剂配方 在适度控制金属铝粉含量时 可获得 19 6N s kg 39 2N s kg 的比冲增益 在抗过载炸药 温压炸药 燃料空气炸药 水下炸药 不敏感炸药 基于 新型高能材料的炸药和金属化炸药等 7 类混合炸药配方设计上取得较大进展 如 开发的新型含铝温压炸药 其毁伤作用包含了较强的爆炸冲击波和持续高 温的双重效应 开发的含黑索今的复合浇注 PBX 炸药 密度 1 82g cm3 爆速 5400m s 爆热在 8200kJ kg 以上 作为水下武器系统主装药时 其水下爆炸总 能量比 TNT 提高了一倍以上 比 RS211 提高了 35 以上 综合性能优良 能够 满足易损性要求 火工烟火药剂设计研究 重点关注了新型单质起爆药 复合起爆药 点火 药 高精度延期药及其性能改进技术 开发的以 TiHP KClO4 28 72 氟橡胶 为粘合剂 为组分的新型高能点火药 机械和静电火花感度低 点火稳定 反 应较完全 开发的基于锆和高氯酸钾的新型点火药 具有良好的耐高温能力 精品文档 3欢迎下载 改良后的黑火药 解决了传统黑火药能量低 输出不稳定 产物腐蚀性强 易 潮解失效 静电安全性差等缺陷 研制的自燃箔条诱饵剂 燃烧时可实现与平 台相似的光谱辐射特征 大面积布撒时 引燃率可达 100 燃温低于 1000 对 3 5 m 和 8 14 m 两波段探测系统具有明显干扰效果 研发了多种新型烟幕 剂 形成了从可见光至近红外 中红外 远红外直至毫米波范围具有遮蔽作用 的 多频谱 烟幕剂系列 1 31 3含能材料合成和制备加工新工艺 新方法和相关新装备含能材料合成和制备加工新工艺 新方法和相关新装备 发射药制造工艺方面 开发了自动化喷射吸收 剪切压延 双螺杆挤出成 型等新工艺 其中剪切压延新工艺实现了吸收药脱水 混合 预塑化以及造粒 工艺过程的连续化和自动化 在传统球形药内溶法工艺基础上 研制了基于 包容水 和 溶解水 成孔原理和超临界流体发泡原理的高燃速发射药成型 新工艺 利用新工艺制备的内部呈泡沫结构的发射药 其表观燃速大幅提高 在推进剂装药工艺技术方面 发展了加压插管浇注与真空浇注相结合的技 术 初步解决了固含量 88 时药浆浇注困难的问题 有效提高了装药密度 成 功研制了连续压延造粒的双螺旋剪切压延机 解决了高固含量改性双基推进剂 生产过程中压延塑化困难 易着火燃爆等诸多难题 采用 点击 化学方法进 行了 GAP 和 ADN 基固体推进剂的制备研究 得到了固含量为 72 的推进剂药柱 力学性能较好 证实了 点击 化学在复合固体推进剂中的应用可行性 在炸药工艺技术方面 我国十分重视高能炸药 特别是 HEDC 的低成本制造 技术 取得了不少成果 如在 N2O5 HNO3 体系中硝解乌洛托品制备 RDX 产率 从 59 5 提高到至 72 6 开发的 CL 20 无氢解合成路线 降低了 CL 20 的制备 成本 为规模化生产奠定了技术基础 开展了两步法合成 CL 20 的研究 制备 了多种新型异伍兹烷衍生物 相关研究与国际同步 在 RDX 球形化 NQ 球形化 等方面取得长足进展 已形成 10 50kg 级生产能力 攻克了 RDX 和 HMX 晶体形 貌 内部缺陷 颗粒密度和粒径大小的控制技术 掌握了高品质 RDX 和 HMX 的 公斤级制备技术 在 HEDC 合成方面 我国高度重视嗪类 呋咱类 唑类 胍类等非杂环 富 氮含能盐类等化合物的合成研究 成功合成了数十种 HEDC 其中成功合成的 精品文档 4欢迎下载 3 3 二硝基 4 4 偶氮二氧化呋咱 DNAFO 其密度达 2 002g cm3 生成焓 为 667kJ mol 实测爆速为 10km s 此外 含能材料绿色 安全生产技术的研究与开发也相当活跃 在节能减 排 回收利用 污染控制与治理技术 工艺与装备等方面取得了不少成果 1 41 4含能材料装药和应用技术含能材料装药和应用技术 近五年来 发射药装药技术研究保持活跃 成果丰硕 在突破驱溶 非均 等弧厚等关键工艺技术难题基础上 设计并成功制备了具有高增面性的 37 孔粒 状发射药 与现有 19 孔发射药相比 燃烧增面性提高了 5 12 配合混合装 药技术 明显提高大口径火炮弹道效率和炮口动能 基于同材质包覆技术设计 的组合装药 具有优异的低温感效应 应用于大口径火炮时 实现了在不增加 甚至降低最大膛压的工况下明显增加炮口动能 提高了射程和威力 特别是新 开发的高渐增性 低温感单元模块装药技术 解决了兼顾小号装药燃尽性和大 号装药膛压限制的世界性技术难题 依托这种单元模块组成的变装药 实现了 与国外先进的双模块装药相同的覆盖全射程的弹道效果 而由其组成的远程装 药 在不使用加长身管和提高膛压的手段的条件下提高火炮射程 如在 52 倍口 径 155mm 火炮上的射击结果证明 在不提高膛压的条件下可提高火炮射程 20 以上 其性能优于国外最先进的高膛压远程火炮 在推进剂装药技术方面 我国已掌握了单室多推力装药技术 实现了单室 双推力 单室三推力和单室四推力装药设计和应用技术 单室多推力装药技术 的应用 可在发动机结构不变条件下总冲提高 15 以上 在混合炸药装药技术方面 近五年成功开发了几十种造型粉的制备方法 并对相关工艺流程和装备进行了技术升级 在混合炸药装药压制工艺中 新开 发的等静压工艺技术 实现了复杂形状炸药件的净成型 从而减少了原材料的 损耗 成功研发的精密压装装药技术 爆炸网络装药的浇注工艺 微型爆炸逻 辑网络装药的微注射工艺等传爆药装药新方法 满足了新型武器对传爆药装药 要求 为适应微小型火工器件的结构要求 在研究气相沉积 原位制造 纳米自 组装等技术的基础上 开发了含能薄膜 内嵌复合物 多孔含能基材等火工药 精品文档 5欢迎下载 剂装药新技术 其成品性能明显优于常规装药 1 51 5含能材料测试方法和技术含能材料测试方法和技术 基于密闭爆发器燃烧实验 选择恒面燃烧的发射药试样 采用精确的压力 测试手段和分段数据处理方法 建立了发射药燃速的精确测试方法 可获得压 力指数 n 随压力 p 的变化曲线 开发了测量发射药动态力学性能的动态 挤压试验装置和模拟膛内力学环境的多次撞击试验装置 为发射药及其装药的 高压动态力学强度和高膛压发射安全性研究提供了新手段 基于老化试验及理论模拟计算 建立了 NEPE 高能固体推进剂的贮存寿命的 预测方法 利用固体火箭发动机离心试验 初步建立了高铝粉含量的低燃速 HTPB 复合推进剂在过载情况下的燃烧加速度敏感性测试方法 利用高压反应釜 实时监测系统 原位研究了铝 水反应的放热过程 建立了铝 水体系应用于固 体推进剂的评价体系 在研究 HTPB 推进剂静电放电危险性基础上 建立了固体 推进剂静电感度精确测试装置 建立了推进剂燃烧或爆炸产物的内阻和电导率 测试方法 为推进剂燃烧产物电学性能的表征和等离子推进剂的研制提供了关 键测试手段 也适用炸药瞬态电学性能的表征 建立了推进剂羽流特性的微波 干涉测试方法 实现推进剂尾烟尾焰电子云密度分布的测试 研究了改性双基 富燃料等推进剂标准物质的能量特性 建立了其特征信号测试标准方法 在单质炸药性能测试与评估方面 基于动态真空安定性试验法 初步建立 了预测 CL 20 有效贮存寿命的方法 建立了较完善的固体推进剂和炸药钝感性能评价测试装置及其安全性分级 方法 在火工烟火药剂性能测试与评估方面 研究并完善了火工药剂高压电阻率 50kV 静电火花感度和静电积累三参量的连续自动测试方法 建立了火工药剂 激光感度 等离子体感度的测试新方法 由上可看出 近五年我国含能材料学科领域内取得了一批重要成果 有力 推动了我军武器装备的改造和升级换代 其中具有完全自主知识产权的高增面 低温感发射装药和全等单元模块装药两项技术已处于国际领先水平 标志着我 国已掌握了设计和制造射程更远 膛压更低 机动性能更好和战场生存能力更 精品文档 6欢迎下载 强的新一代大口径火炮所必须的发射能源关键技术 CL 20 等高能量密度化合 物的工程化规模制备技术也已达到国际先进水平 为我国发展能量性能更高 综合性能更加优良的发射药 推进剂和弹药战斗部装药提供了重要的技术和物 质条件 进而为推动我国武器装备向弹药远程发射 高效毁伤和精确打击的目 标发展注入了强大动力 2 2本学科国内外研究进展比较本学科国内外研究进展比较 2 12 1含能材料设计含能材料设计 与国外先进水平相比 我国含能材料基础较为薄弱 设计与研究仍然主要 依靠实验 模拟仿真技术应用较少 我国的发射药能量水平已与国外相当 但 品种少 综合性能尚有距离 与发达国家一样 我国高度重视 HEDC 设计与合成 技术 并成功合成了 30 多个 HEDC 但大多为跟踪或改进国外合成方法得到产 品 自主设计和合成的品种很少 国外积极将 HEDC 和高能低感度化合物用于高 能低感发射药 推进剂与炸药的配方设计 其中 CL 20 DNTF 已成功应用于高 能混合炸药和不敏感炸药 而我国因 HEDC 和高能低感化合物品种少 工程化尚 未完成 将它们用于配方设计尚处于尝试阶段 国外已将高效能氧化剂 ADN 和 AN 应用于新型高能低特征信号推进剂中 而我国尚在开展这些新型氧化剂的应 用基础研究 在火工药剂技术方面 我国的设计水平与品种 与国外先进水平 相比差距较大 表现在新型火工药剂品种少 在新型火工系统设计时基础药剂 的选用范围十分有限 2 22 2含能材料工艺技术含能材料工艺技术 近年来 我国十分重视含能材料制造工艺技术 研究重点在于连续化 自 动化和柔性化 与国外先进工艺技术之间的差距正在缩小 但目前我国在含能 材料生产时仍需较多的人工干预 制造工艺和装备水平均较落后 新型基础原 材料 HEDC 高效氧化剂 高能低感化合物的合成或制备方面 国外发达国家大 多已完成工艺放大 部分已具备批量生产能力 但我国开展工程化研究的品种 较少 制约了我国高能低感发射药 推进剂和炸药的开发 利用结晶技术制备 高品质单质炸药方面 国外已开展了 RDX HMX 等多种高品质单质炸药研发 其 精品文档 7欢迎下载 中 D RDX D HMX NGu NTO 炸药晶体已经完成工程化放大 我国也已突破了关 键技术 制得的 D RDX 和 D HMX 性能与国外相应产品相当 但品种少 工程化 研究刚刚开始 我国一直重视基础原材料超细化技术研究 目前的技术水平与 俄 美相当 对于火工药剂类含能材料 发达国家已完成起爆药的柔性自动合 成 起爆药的新型微反应器制备技术也已进入实用化阶段 我国在火工药剂制 备的关键工序也实现了自动化控制 而微反应器合成工艺还处于基础研究阶段 我国投入大量经费用于含能材料生产废水 废气的治理 开发的技术已开始推 广应用 相关企业的有害物排放已大幅削减 但与国外先进的绿色生产技术相 比 差距仍然显著 2 32 3装药技术与应用技术装药技术与应用技术 与发达国家相比 我国的发射药装药技术并不落后 有多项技术处于国际 先进或者领先 但因基础研究不够深入 影响了部分装药新技术的推广应用 在火工药剂应用于火工品技术上 国外已深入研究了油墨打印 真空镀膜技术 和原位装药等火工药剂装药技术 部分技术已用于生产 而相关研究在我国大 多刚刚起步 2 42 4测试技术与性能评估测试技术与性能评估 发达国家已建立了炸药性能的测试和评价方法 考察的性能参数系统全面 而我国则侧重宏观性能的表征 微观结构与炸药材料静态 动态性能之间的关 联考虑较少 建立的性能表征方法尚不够全面 国外的炸药性能综合评估