新型含能材料的研究发展

2016-02-23刘志力李小龙黄进

信息记录材料 2016年5期

关键词：聚物金属特性

刘志力李小龙黄进

（沈阳理工大学装备工程学院特辽宁沈阳 110000）

新型含能材料的研究发展

刘志力李小龙黄进

（沈阳理工大学装备工程学院特辽宁沈阳 110000）

金属铝/氟聚物含能材料，是一类新型的纳米含能材料，其高能、钝感和独特的能量释放特性，使其成为一类重要的军用和民用新型含能材料。对于金属铝/氟聚物含能材料，国内外研究较多的是微米级含能材料的释能特性表征，国外一些关于纳米级材料的报道的研究热点主要集中于纳米铝的制备、表面修饰和金属与氟聚物的有效结合，作为纳米尺寸效应和界面效应对这一含能体系的影响系统研究还未见报道。

研究发现金属铝对材料的冲击引发反应的阈值条件有至关重要的作用，纳米铝在氟聚物基含能材料中的应用，改善了材料的结构特征，在反应中可以更快的达到反应活化温度，对提高材料整体的能量密度和能量释放率都具有重要意义。

纳米铝；氟聚物；包覆；释能特性

1.引言

金属/氟聚物复合含能材料具有能量水平高，钝感和良好的力学性能，是一种新型的直接毁伤型含能材料，也是国外含能材料的一个重要新分支。通常情况下，无机或金属颗粒填充聚四氟乙烯（PTFE）的复合材料稳定性非常好，是一种重要的工程材料，未被广泛认识到有反应和释能特性。但自从20世纪70年代Willis等人发现Al/PTFE在高速撞击条件下发生闪光反应以后，又经过三十余年的研究，金属/氟聚物类复合材料的能量释放反应特性才逐步得到较广泛的认识。氟聚物基反应材料的高能、钝感和独特的能量释放特性，使其成为一类极为重要的国防工业升级用和民用新型含能材料。

具有非理想爆轰特性的炸药称为非理想炸药，具有感度低、临界直径大、反应区较宽、作用时间长和作功能力大等特点。大多数含氧化剂或高热值元素(如铝粉、硼粉)的复合炸药都是非理想型炸药。金属/氟聚物复合含能材料作为一种非理想型含能材料，其释能特性以及其他优异的理化性能并没有被充分的研究，传统的含能材料受物质分子化学稳定性和合成方法的限制，难以达到理想的氧化剂和燃料组合及平衡，其物质密度和能量密度都较难再进一步提高，通过引进纳米材料可以使其具有能量释放率高度可调的优点。在混合炸药中加入纳米金属粉(如铝、镁)或非金属粉(如硅、硼)，可以增加各组分间接触的紧密性和表面积，从而增加爆轰反应的能量释放速率和金属粉的反应完全性。对金属/氟聚物含能材料来说，其反应机制导致材料的能量释放水平与材料微观结构有直接关系。纳米金属粉体的引入，从微观上改善材料的结构特性，为金属/氟聚物含能材料释能特性的优化提供了更广阔的空间。

2.新型材料的特性研究

（1）对于金属铝/氟聚物含能材料的制备，我们综合参考了国内外的制备方法，并且引入了氟橡胶，这在目前的研究中并没有被报道过。氟橡胶具备高氟含量和冲击引发条件下的反应性能，因此在材料中同时可以充当粘结剂和氧化剂，在改善材料结构的同时不会影响材料的释能特性。

（2）根据纳米铝和微米铝的不同特性，我们设计了不同的方式来实现氟聚物对颗粒的包覆。微米铝粉采用了物理包覆的方式，而纳米铝粉由于比表面积大，反应活性高，团聚现象较严重的特点，我们采用了化学修饰再物理包覆的方法，用化学键合的方法在纳米尺度对其表面进行了有机基团包覆层的组装，从而依靠有机基团与氟聚物的相容性和吸附性，使纳米铝在以后的物理包覆过程中与氟聚物的界面接触更加紧密牢固，也使制备的纳米铝/氟聚物含能材料具有足够的钝感。

（3）通过尝试，采用150MPa的压力对金属铝/氟聚物含能材料进行压制成型并保压10min后，材料的密度可以达到理论密度的90%以上，再对压制后的试样进行爆炸烧结，在瞬时高温高压作用下，氟聚物材料发生熔融混合，材料的密度可以达到理论密度的95%以上，实验证明爆炸烧结比热烧结更有利于提高材料密度。

（4）对金属铝/氟聚物含能材料的静态释能特性进行的探究实验结果表明，金属铝/氟聚物含能材料的燃烧热可以达到18kJ/g，能量密度较高。纳米铝/氟聚物含能材料比微米铝/氟聚物含能材料具有更好的反应活性，微米铝PA26.5材料的在空气和氩气气氛中点火实验均失败，而纳米铝/氟聚物含能材料在相同条件下均可以点燃。实验表明对于金属铝/氟聚物含能材料，只有当铝含量达到一定临界值时，才会被引燃，这个临界值视铝颗粒粒径，点火气氛，点火方式的不同均会有所变化。

（5）对金属铝/氟聚物含能材料的冲击条件引发的释能特性进行了探究，分别是对体相材料进行了飞片冲击实验并对薄膜材料进行了激光冲击实验。在两组冲击实验中均找到了材料发生热点烧蚀的反应现象。