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  学名六硝基六氮杂异伍兹烷的CL-20炸药,是目前已知威力最强大、能量最高的可实际应用的非核单质炸药。其爆轰速度高达9500米/秒,并具有更低的可见烟雾,被称为第四代炸药。这一炸药的出现,也为导弹、核装置等武器的小型化和效能提升带来了全新的发展契机。


图1 CL-20的分子结构和晶型外观

  随着武器信息化和各种微武器的出现,具有信息化、结构小型化和序列集成等主要特点的引爆设备也不断出现。集成了体积微小、信息化以及多功能为一体的微机电系统设备(MEMS)大大减小了引爆装置的尺寸,并改善了武器装备的安全性和可靠性。

  在这种场景下,传统的炸药装填技术已经不能满足安全性、性能及生产效率的要求,因此墨水直写技术(DIW)就应运而生。墨水直写技术已经成为美国陆军当前MEMS中炸药填充的主要方式。这种炸药墨水是一个多组分体系,通常包含炸药、连接料和其他添加剂。炸药墨水通常有两种方式:全液体型和悬浮型。全液体型是将炸药、连接料和添加剂溶解在有机溶剂中。但是CL-20的晶型不易控制,在应用中容易导致安全问题,而且墨水书写和干燥的时间也很长。悬浮型炸药墨水是通过热引发聚合来进行固化的,它很难在短时间内固化完全。另外,这种悬浮体系在制作准备的过程中存在较严重的物料浪费情况。其他的一些体系对于MEMS设备也不是特别实用。在这种情况下,UV光固化技术作为一种快速固化、绿色节能,而且固化后材料具有优良性能的技术,在能量材料制备方面就充当了重要的角色。来自中北大学的安崇伟教授等人成功采用了UV光固化技术来制备了基于CL-20的高性能引爆体系。


图2 基于CL-20的UV光固化引爆系统的制备示意图

  这一UV光固化的炸药墨水通过将亚微结构的CL-20炸药和光固化树脂及光引发剂混合,并添加少量乙醇得到的。混合均匀的炸药墨水被填充到注射器中,再在铝板槽中进行墨水直写,之后进行UV固化,再进行燃爆测试。槽的长度为100mm,宽度1-1.2mm,最大深度3mm。

  对墨水进行UV固化3分钟后,再放置7分钟硬度即达到2H,材料的制备工作就已经完成。和需要在40°C温度下固化120小时的CL-20/GAP墨水体系,以及由Daniel Stec创造的需要在室温下固化12-24小时的CL-20体系相比,这一UV光固化技术的固化时间得到了质的提升。


  通过扫描电镜观察发现,研磨之后的亚微结构CL-20颗粒尺寸为100-300nm,粒径分布均匀,颗粒呈现球状,同时表面粗糙度得到大大降低。如图3 a所示,UV光固化之后的基于CL-20的炸药材料表面光滑平坦。不过在更大放大倍数下,仍然可以看到表面上存在一些小孔,这可能是因为乙醇挥发时填充进的空气导致的(图3 b)。从图中也可以看出,交联固化之后的光固化树脂作为连结料将CL-20的结晶颗粒连接在一起形成了蜂巢状结构。


图3 基于CL-20的UV光固化炸药材料固化后的电子扫描电镜图。表面(a,b),和横截面(c,d)

  对UV光固化炸药墨水的引爆实验表明,随着沟槽深度的减少,爆炸的痕迹也逐渐变窄,表明爆炸能量也逐渐减弱,不存在急剧增加或减少的情况存在。这说明这一材料体系在小尺寸填充条件下具有很高的引爆可靠性。实验确认了该材料的临界爆轰尺寸低至0.078mm。

  从图4中可以看出,基于CL-20的UV光固化炸药材料可以在微沟槽中被可靠和稳定地引爆。填充的沟槽具有明显的爆炸痕迹和变形。当样品的密度为1.67g•cm-3时,平均轰爆速度为7357ms-1。该结果表明这一材料具有更高的成型密度效应和更少的内部缺陷,在沟槽内的爆炸也是稳定的。


图4 基于CL-20的UV光固化炸药材料在引爆速度测试中,引爆前和引爆后的光学照片

  在连续90°转角条件下的引爆性能测试显示(图5),基于CL-20的UV光固化炸药材料可以可靠地在这种网络结构中进行引爆,并顺利经过多个90°转角。同时,越靠近中心的爆炸痕迹越宽(图5 b),这种现象应该是因为网络中心爆炸的约束性比网络边缘更强,或者说在外围区域的引爆中能量丢失更多。

图5 基于CL-20的UV光固化炸药材料在连续90°转角条件下的引爆性能测试

  从表1可以看出,亚微结构CL-20的撞击敏感度H50值比未加工CL-20要高21.2cm,其撞击敏感度得到了大大降低。而基于CL-20复合材料的H50值则增加到了40.6cm,比未加工CL-20增加到了3.07倍。这应该主要是因为在复合材料中的CL-20具有更小粒径、更大比表面积、更光滑表面,以及更少棱角,从而更难形成热点所致。因此复合材料的敏感度得到了大大的降低,同时,包覆在CL-20表面的连结料也降低了颗粒之间的摩擦,起到了对外部冲击的缓冲效果,从而极大程度降低了热点形成的可能性。

表1 未加工CL-20,亚微结构CL-20和基于CL-20复合材料的撞击敏感度

  这一工作表明,采用UV光固化树脂可以对史上最强炸药CL-20进行有效的处理,得到可以进行快速UV光固化的直写墨水。对这一炸药墨水采用墨水直写方式以及UV光固化技术在微尺寸设备中进行填充,可以大大提高固化的效率。所得到的材料同时具有快固化速度、更少内部缺陷,更低撞击敏感度,临界爆轰尺寸低至0.078mm,而轰爆速度则达到7357ms-1

  UV光固化技术再次显现出其卓越的技术特点和优势,将进一步加速国防工业的快速发展。