[发明专利]一种纳米复合含能材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含能材料，特别是涉及一种六硝基六氮杂异伍兹烷/硝化棉复合含能材料，以及该复合含能材料的制备方法。本发明的纳米复合含能材料在改善含能组分安全特性、能量释放效率及力学性能等方面具有良好的前景，可应用于固体推进剂、火炸药和烟火药等领域。

背景技术

当前含能材料的主要研究方向是追求“高能钝感”。“高能”化可以通过研发新型高能组分和挖掘现有含能组分潜能实现。显然，研发一种具有高能量密度，还能保证其化学稳定性好、感度低的新型单质含能材料是非常困难的，所以挖掘现有含能组分潜能是获得“高能钝感”含能材料的一个切实可行的方法。

六硝基六氮杂异伍兹烷，俗称CL-20，能量密度约为12.6kJ/cm³，是目前已经工业化的能量最高的单质炸药，具有高密度、高生成焓、高爆速和高爆压等特点，能量输出比HMX还要高出10～15%，并且与粘结剂和其它含能材料的相容性好，是一种极具前景的单质炸药。然而，CL-20并没有得到广泛应用，最重要的原因是它的感度过高，其摩擦感度、撞击感度和冲击波感度均明显高于RDX、HMX甚至PETN。

研究表明，单分子含能材料的能量释放速度仅决定于其的化学反应速度，而复合含能材料的能量释放速度则决定于化学反应速度和反应物间的质量传输速度。当前复合含能材料的能量密度超过了23kJ/cm³(ADN/Al复合材料)。但是，由于传统复合含能材料的组分颗粒较大，氧化剂与还原剂的接触面积小，导致反应物间的质量传输速度远远低于反应速度，尽管其能量密度高，能量的释放速度却很慢。

纳米复合含能材料是指燃料组分和氧化剂组分中的至少一种组分在纳米尺度(1～100nm)上的一类材料。由于组分反应物的尺寸降低到纳米尺度，复合含能材料具有高的比表面积和较短的扩散距离，可以有效增加物质间的接触界面，使其有可能增强化学动力学的作用，获得高能量密度和高释能速率的含能材料。同时，能够通过改变纳米尺度颗粒的组成来任意控制含能材料的能量释放速率，这样就可以加快燃烧速率，通过提高燃烧效率增加能量输出，达到更加理想的状态。另外，由于纳米骨架在含能组分周围充当了—个屏障，会吸收和转移外界刺激产生的热量，分散冲击力作用，降低含能材料发生反应和爆炸的可能性。所以，纳米复合含能材料可望在保证较高能量的前提下保持较低的感度。

目前关于纳米复合含能材料也有一些报道。例如，宋小兰等(南京理工大学，博士学位论文，2008)报道了纳米HNIW/Fe₂O₃复合含能材料；张小涛等(机械管理开发，2011，6)报道了HNIW/Cr₂O₃纳米复合含能材料。以上两篇文献均以无机硝酸盐为水解前驱体，以1,2-环氧丙烷作为催化剂，引发溶胶-凝胶反应获得复合含能材料，但由于引入了无机金属氧化物作为惰性骨架，导致纳米复合含能材料在感度降低的同时，能量特性也将大幅度下降，特别是在炸药组分含量降低到一定程度(＜50%)时，其输出能量将会骤减。

陈星等(西南科技大学，硕士学位论文，2012)采用聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为前驱体，以丙酮为溶剂获得了HNIW/GAP纳米复合含能材料。晋苗苗等(兵工学报，2014，35(6))采用硝化棉(NC)作为前驱体，丙酮为溶剂制备了纳米NC/RDX复合含能材料。上述两篇文献均采用了含能骨架，提高了纳米复合含能材料的输出能量，但前者GAP价格很高，增加了制造成本，使得含能材料无法得到大量的工程应用。后者中尽管采用了价格低廉的NC含能前驱体，但RDX的能量比HNIW要低很多，则其复合含能材料的能量增加也将是有限的。另外，上述文献中均采用丙酮为溶剂，T-12为催化剂，但由于丙酮极性较高，由此得到的复合凝胶为膏状物质，不透明且无弹性，湿凝胶质量很差，且单独使用T-12为催化剂时，凝胶时间较长(通常＞1天)。

发明内容

本发明的目的是提供一种能量较高、感度较低的CL-20/NC纳米复合含能材料。

本发明的目的还在于提供一种反应周期短、操作简单、温和无毒的制备CL-20/NC纳米复合含能材料的方法。

本发明所述的纳米复合含能材料是以CL-20和NC为原料，按照CL-20∶NC=0.1～3∶1的质量比溶解在弱极性溶剂中制成透明溶液，加入异氰酸酯固化剂和复合催化剂形成湿凝胶，陈化后超临界干燥除去溶剂得到的气凝胶状态的纳米复合含能材料，其中，所述的复合催化剂为二丁基锡二月桂酸酯(T-12)与三乙烯二胺(TEDA)的混合物。