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用UV光固化馴服世界上最烈的炸藥

  學名六硝基六氮雜異伍茲烷的CL-20炸藥,是目前已知威力最強大、能量最高的可實際應用的非核單質炸藥。其爆轟速度高達9500米/秒,并具有更低的可見煙霧,被稱為第四代炸藥。這一炸藥的出現,也為導彈、核裝置等武器的小型化和效能提升帶來了全新的發展契機。


圖1 CL-20的分子結構和晶型外觀

  隨著武器信息化和各種微武器的出現,具有信息化、結構小型化和序列集成等主要特點的引爆設備也不斷出現。集成了體積微小、信息化以及多功能為一體的微機電系統設備(MEMS)大大減小了引爆裝置的尺寸,并改善了武器裝備的安全性和可靠性。

  在這種場景下,傳統的炸藥裝填技術已經不能滿足安全性、性能及生產效率的要求,因此墨水直寫技術(DIW)就應運而生。墨水直寫技術已經成為美國陸軍當前MEMS中炸藥填充的主要方式。這種炸藥墨水是一個多組分體系,通常包含炸藥、連接料和其他添加劑。炸藥墨水通常有兩種方式:全液體型和懸浮型。全液體型是將炸藥、連接料和添加劑溶解在有機溶劑中。但是CL-20的晶型不易控制,在應用中容易導致安全問題,而且墨水書寫和干燥的時間也很長。懸浮型炸藥墨水是通過熱引發聚合來進行固化的,它很難在短時間內固化完全。另外,這種懸浮體系在制作準備的過程中存在較嚴重的物料浪費情況。其他的一些體系對于MEMS設備也不是特別實用。在這種情況下,UV光固化技術作為一種快速固化、綠色節能,而且固化后材料具有優良性能的技術,在能量材料制備方面就充當了重要的角色。來自中北大學的安崇偉教授等人成功采用了UV光固化技術來制備了基于CL-20的高性能引爆體系。


圖2 基于CL-20的UV光固化引爆系統的制備示意圖

  這一UV光固化的炸藥墨水通過將亞微結構的CL-20炸藥和光固化樹脂及光引發劑混合,并添加少量乙醇得到的。混合均勻的炸藥墨水被填充到注射器中,再在鋁板槽中進行墨水直寫,之后進行UV固化,再進行燃爆測試。槽的長度為100mm,寬度1-1.2mm,最大深度3mm。

  對墨水進行UV固化3分鐘后,再放置7分鐘硬度即達到2H,材料的制備工作就已經完成。和需要在40°C溫度下固化120小時的CL-20/GAP墨水體系,以及由Daniel Stec創造的需要在室溫下固化12-24小時的CL-20體系相比,這一UV光固化技術的固化時間得到了質的提升。


  通過掃描電鏡觀察發現,研磨之后的亞微結構CL-20顆粒尺寸為100-300nm,粒徑分布均勻,顆粒呈現球狀,同時表面粗糙度得到大大降低。如圖3 a所示,UV光固化之后的基于CL-20的炸藥材料表面光滑平坦。不過在更大放大倍數下,仍然可以看到表面上存在一些小孔,這可能是因為乙醇揮發時填充進的空氣導致的(圖3 b)。從圖中也可以看出,交聯固化之后的光固化樹脂作為連結料將CL-20的結晶顆粒連接在一起形成了蜂巢狀結構。


圖3 基于CL-20的UV光固化炸藥材料固化后的電子掃描電鏡圖。表面(a,b),和橫截面(c,d)

  對UV光固化炸藥墨水的引爆實驗表明,隨著溝槽深度的減少,爆炸的痕跡也逐漸變窄,表明爆炸能量也逐漸減弱,不存在急劇增加或減少的情況存在。這說明這一材料體系在小尺寸填充條件下具有很高的引爆可靠性。實驗確認了該材料的臨界爆轟尺寸低至0.078mm。

  從圖4中可以看出,基于CL-20的UV光固化炸藥材料可以在微溝槽中被可靠和穩定地引爆。填充的溝槽具有明顯的爆炸痕跡和變形。當樣品的密度為1.67g?cm-3時,平均轟爆速度為7357ms-1。該結果表明這一材料具有更高的成型密度效應和更少的內部缺陷,在溝槽內的爆炸也是穩定的。


圖4 基于CL-20的UV光固化炸藥材料在引爆速度測試中,引爆前和引爆后的光學照片

  在連續90°轉角條件下的引爆性能測試顯示(圖5),基于CL-20的UV光固化炸藥材料可以可靠地在這種網絡結構中進行引爆,并順利經過多個90°轉角。同時,越靠近中心的爆炸痕跡越寬(圖5 b),這種現象應該是因為網絡中心爆炸的約束性比網絡邊緣更強,或者說在外圍區域的引爆中能量丟失更多。

圖5 基于CL-20的UV光固化炸藥材料在連續90°轉角條件下的引爆性能測試

  從表1可以看出,亞微結構CL-20的撞擊敏感度H50值比未加工CL-20要高21.2cm,其撞擊敏感度得到了大大降低。而基于CL-20復合材料的H50值則增加到了40.6cm,比未加工CL-20增加到了3.07倍。這應該主要是因為在復合材料中的CL-20具有更小粒徑、更大比表面積、更光滑表面,以及更少棱角,從而更難形成熱點所致。因此復合材料的敏感度得到了大大的降低,同時,包覆在CL-20表面的連結料也降低了顆粒之間的摩擦,起到了對外部沖擊的緩沖效果,從而極大程度降低了熱點形成的可能性。

表1 未加工CL-20,亞微結構CL-20和基于CL-20復合材料的撞擊敏感度

  這一工作表明,采用UV光固化樹脂可以對史上最強炸藥CL-20進行有效的處理,得到可以進行快速UV光固化的直寫墨水。對這一炸藥墨水采用墨水直寫方式以及UV光固化技術在微尺寸設備中進行填充,可以大大提高固化的效率。所得到的材料同時具有快固化速度、更少內部缺陷,更低撞擊敏感度,臨界爆轟尺寸低至0.078mm,而轟爆速度則達到7357ms-1

  UV光固化技術再次顯現出其卓越的技術特點和優勢,將進一步加速國防工業的快速發展。

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