分子鈣鈦礦含能材料新進(jìn)展

分子鈣鈦礦含能材料是中山大學(xué)陳小明院士團(tuán)隊(duì)于2018年提出的一類基于晶體工程組裝策略的單質(zhì)炸藥新體系，具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、高能量輸出與高熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式為發(fā)展高性能實(shí)用含能材料提供了新契機(jī)。有別于含能有機(jī)化合物的設(shè)計(jì)思路，分子鈣鈦礦含能材料的構(gòu)筑主要著眼于以氧化性、還原性分子離子組分為模塊，通過晶體工程“蓋房子”的方式將氧化性和還原性分子/離子組分相互嵌合、周期性交替緊密排列，形成典型的框架ABX3結(jié)構(gòu)(見圖1)。離子組分間的靜電庫侖力可以確保晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而相互間短于分子間作用力的距離又使其在達(dá)到分解條件后能以快速、高效、充分氧化還原反應(yīng)釋放能量和氣體，因而往往能在保持優(yōu)良安定性的同時(shí)較為充分地發(fā)揮含能基團(tuán)蘊(yùn)含的能量。

圖1 分子鈣鈦礦系列含能材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

分子鈣鈦礦含能材料化合物設(shè)計(jì)進(jìn)展

圖2 DAN(左)與DAI(右)體系分子結(jié)構(gòu)示意圖

DAP-4在復(fù)合體系中的釋能作用

基于高氯酸橋聯(lián)的(H2dabco)[NH4(ClO4)3](DAP-4)是目前被研究最為深入的分子鈣鈦礦含能化合物。兼具高能量水平與強(qiáng)氧化能力的分子鈣鈦礦含能材料與固體燃料復(fù)合體系的燃燒釋能研究是目前關(guān)注的重點(diǎn)。北京理工大學(xué)以DAP-4為氧化劑，引入非金屬硼為固體燃料，制備了DAP-4/B混合粉體以及DAP-4/B/F復(fù)合體系材料。研究發(fā)現(xiàn)，在燃料與氧化劑質(zhì)量比為22∶78時(shí)，混合粉體的燃燒熱值可達(dá)9640J/g。通過凹槽燃燒火焰蔓延速率測(cè)試，DAP-4/B混合粉體的燃燒火焰蔓延速率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。提出了DAP-4與硼復(fù)合體系燃燒反應(yīng)釋能機(jī)制：首先點(diǎn)燃DAP-4形成持續(xù)燃燒，自身能量釋放并分解出大量氧化性、腐蝕性氣體；燃燒能量消除硼顆粒表面氧化層，氧化性、腐蝕性氣體支撐硼氧化還原反應(yīng)，促進(jìn)固體硼顆粒燃料的燃燒釋能。

圖3 DAP-4/B燃燒火焰蔓延過程以及點(diǎn)火燃燒反應(yīng)機(jī)制

DAP-4在石油射孔彈中的應(yīng)用

西安近代化學(xué)研究所以DAP-4為基礎(chǔ)推出了系列耐熱炸藥，在高耐熱高威力炸藥配方應(yīng)用領(lǐng)域初顯鋒芒。實(shí)驗(yàn)表明DAP-4綜合性能媲美RDX，優(yōu)于現(xiàn)有超高溫耐熱含能化合物HNS。在常溫鋼靶穿透實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比現(xiàn)役HNS基S992炸藥(平均爆速6879m/s，穿透深度182mm，穿孔孔徑為10.3mm)，西安近代化學(xué)研究所研制的DAP-4基耐熱炸藥性能取得突破(爆速達(dá)7597m/s，穿透深度233mm，穿孔孔徑>11.1mm)。經(jīng)石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心鑒定顯示，經(jīng)過超高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫后(210℃保溫170h)，DAP-4基耐熱炸藥的穿深和孔徑還能分別達(dá)到214mm和13.2mm，超過了國(guó)家石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(見圖4)，顯示了DAP-4金屬射流加速的能力，表明DAP-4可應(yīng)用于高溫/超高溫石油射孔場(chǎng)景。

圖4 DAP-4基射孔彈實(shí)物圖及其實(shí)驗(yàn)效果