含能材料与应用课件.ppt
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含含能能材材料料应应用用黄振亚黄振亚一课程的内涵与地位一课程的内涵与地位内涵:
内涵:
复合含能材料复合含能材料火炸药。
单质含能化合物是基础。
火炸药。
单质含能化合物是基础。
地位:
地位:
武器装备能源,无法从国外引进;涉及国家安全。
武器装备能源,无法从国外引进;涉及国家安全。
形形势势:
核核心心是是资资源源(海海洋洋、太太空空)的的竞竞争争。
我我国国南南海海、东海等周边的安全问题突出。
东海等周边的安全问题突出。
美国的霸权行为。
美国的霸权行为。
国与国之间关系微妙,国际地位、经济利益的竞争。
国与国之间关系微妙,国际地位、经济利益的竞争。
反恐与保障社会安全的需要。
(危险品的检测、管理)反恐与保障社会安全的需要。
(危险品的检测、管理)机机遇遇:
国国家家投投入入大大,研研究究经经费费充充足足,清清华华大大学学、中中科科院院等等著著名名高高校校和和研研究究机机构构都都积积极极涉涉足足本本领领域域的的科科研研项项目目,目目前前人才短缺。
人才短缺。
二课程的专业特点二课程的专业特点安全性:
安全性:
易燃易爆行业,但不可怕,防护措施严格。
易燃易爆行业,但不可怕,防护措施严格。
环保性:
环保性:
传统工业高能耗、高污染,急需变革。
传统工业高能耗、高污染,急需变革。
制制约约性性:
新新技技术术、新新材材料料、新新工工艺艺的的应应用用受受到到安安全全性性的的限制;但在经济性方面比民用领域的制约要小得多。
限制;但在经济性方面比民用领域的制约要小得多。
经经验验性性:
作作用用过过程程具具有有“三三高高一一短短”的的特特点点,有有些些参参数数难难以以正正确确检检测测,基基础础理理论论还还比比较较薄薄弱弱,对对不不少少机机理理问问题题认认识识不不清清楚楚。
如如:
高高压压燃燃烧烧反反应应相相关关问问题题(催催化化剂剂的的作作用用、烟焰问题等),工程应用中不少处于经验和半经验阶段。
烟焰问题等),工程应用中不少处于经验和半经验阶段。
复复杂杂性性:
充充满满各各种种矛矛盾盾,如如敏敏感感性性(安安全全性性)与与作作用用可可靠性的矛盾;能量与烧蚀、特征信号的矛盾;等等。
靠性的矛盾;能量与烧蚀、特征信号的矛盾;等等。
三课程内容简介与计划三课程内容简介与计划第一章第一章绪绪论:
论:
基本概念、发展历史简介、地位和作用。
基本概念、发展历史简介、地位和作用。
第二章第二章物理化学性能:
物理化学性能:
能量、燃烧爆炸、贮存、力学、安全能量、燃烧爆炸、贮存、力学、安全第第三三章章能能量量释释放放与与功功能能转转换换:
能能量量释释放放形形式式与与特特点点、作作功功原原理、功能转换及其调节与控制。
理、功能转换及其调节与控制。
第第四四章章发发射射药药军军事事应应用用:
对对发发射射药药的的要要求求、装装药药应应用用设设计计、新型装药技术、应用中的有害现象及其控制。
新型装药技术、应用中的有害现象及其控制。
第第五五章章固固体体推推进进剂剂军军事事应应用用:
固固体体火火箭箭发发动动机机工工作作原原理理、对对推进剂的要求、装药设计、羽流特征信号及控制技术推进剂的要求、装药设计、羽流特征信号及控制技术。
第第六六章章含含能能材材料料应应用用中中的的安安全全知知识识:
安安全全问问题题基基本本特特征征、引引发事故的因素及其安全防护措施发事故的因素及其安全防护措施、安全规范。
、安全规范。
1含能材料基本概念含能材料基本概念亚稳态物质,大多由亚稳态物质,大多由C、H、O、N等元素组成,特征:
等元素组成,特征:
具具有有含含能能基基团团,如如C-NO2、=N-NO2、-O-NO2、-N3、-N=N-等,或含氧化剂、可燃物的混合物。
等,或含氧化剂、可燃物的混合物。
主主要要化化学学反反应应是是燃燃烧烧和和爆爆炸炸,具具有有高高速速、高高压压、高高温温反反应特征和瞬间一次性效应特点,并释放大量的热和气体。
应特征和瞬间一次性效应特点,并释放大量的热和气体。
化学反应不需要外界供氧,可在隔绝大气条件下进行。
化学反应不需要外界供氧,可在隔绝大气条件下进行。
含含能能材材料料是是一一类类含含有有爆爆炸炸性性基基团团或或含含有有氧氧化化剂剂和和可可燃燃物物、能独立地进行化学反应并输出能量的化合物或混合物。
能独立地进行化学反应并输出能量的化合物或混合物。
能独立进行化学反应并输出能量,是含能材料的重要特征。
能独立进行化学反应并输出能量,是含能材料的重要特征。
可应用的含能材料,能量释放必须是有规律和可控制的。
可应用的含能材料,能量释放必须是有规律和可控制的。
一一些些化化学学键键不不稳稳定定,-O-NO2类类常常温温下下存存在在热热分分解解反反应应,随随温度升高反应速度迅速加快;在外界刺激下容易响应。
温度升高反应速度迅速加快;在外界刺激下容易响应。
实实际际应应用用的的大大多多属属于于含含有有氧氧化化性性基基团团和和可可燃燃性性基基团团的的混混合合含含能能材材料料(战战斗斗部部炸炸药药、发发射射药药、固固体体推推进进剂剂等等)。
两两类类基基团团存存在在于于同同一一化化合合物物的的物物质质也也称称为为爆爆炸炸性性化化合合物物,大大部部分爆炸性化合物既是氧化剂又是可燃物。
分爆炸性化合物既是氧化剂又是可燃物。
国国外外有有文文章章将将O/C比比大大于于1的的化化合合物物称称为为氧氧化化剂剂,O/C比比小小于于1的化合物称为可燃物。
的化合物称为可燃物。
Kw(T)随随T升高增大。
升高增大。
Kw(1100K)=1.013;Kw(3000K)=7.296。
能量:
反应放热量;气体生成量(与分子量有关)。
能量:
反应放热量;气体生成量(与分子量有关)。
2含能材料的分类及其组成与结构含能材料的分类及其组成与结构2.1含能材料的分类含能材料的分类用途:
用途:
军用和民用两大类。
军用和民用两大类。
军军用用:
火火炸炸药药和和火火工工品品。
包包括括:
发发射射药药、推推进进剂剂、炸炸药药、烟烟火剂、起爆药等。
火剂、起爆药等。
民民用用:
民民用用爆爆破破工工业业炸炸药药、烟烟火火剂剂等等。
用用于于开开矿矿、土土建建、油油田、地质勘探、爆炸加工、烟花爆竹、影视拍摄等。
田、地质勘探、爆炸加工、烟花爆竹、影视拍摄等。
组成:
组成:
单组份和混合组份;特征基团(硝基、硝胺等)。
单组份和混合组份;特征基团(硝基、硝胺等)。
结构体系:
结构体系:
均质和非均质、单基和多基。
均质和非均质、单基和多基。
其其它它:
按按性性能能特特点点:
高高能能低低烧烧蚀蚀、高高能能低低特特征征信信号号、低低易易损性等;按制备工艺:
浇铸、压装等。
损性等;按制备工艺:
浇铸、压装等。
含能化合物是混合含能材料的基础。
含能化合物是混合含能材料的基础。
传传统统的的有有含含C-NO2、=N-NO2和和-O-NO2的的三三类类单单质质炸炸药药:
硝硝基基炸炸药药(如如梯梯恩恩梯梯三三硝硝基基甲甲苯苯)、硝硝胺胺炸炸药药(如如黑黑索索金金环环三三亚亚甲甲基基三三硝硝胺胺、奥奥克克托托金金环环四四亚亚甲甲基基四四硝硝胺胺)、硝硝酸酸酯酯炸炸药药(如如硝硝化化棉棉、硝硝化化甘甘油油丙丙三三醇醇三三硝硝酸酸酯酯、太太安安季季戊四醇四硝酸酯等)。
戊四醇四硝酸酯等)。
新新型型含含能能化化合合物物:
1,3,3-三三硝硝基基氮氮杂杂环环丁丁烷烷TNAZ;三三氨氨基基胍胍叠叠氮氮化化物物TAGAZ;1,5-二二叠叠氮氮-3-硝硝基基氮氮杂杂戊戊烷烷DIANP;聚聚叠叠氮氮缩缩水水甘甘油油醚醚GAP;3-叠叠氮氮甲甲基基-3-甲甲基基环环氧氧丁丁烷烷AMMO;3,3-双双叠叠氮氮甲甲基基环环氧氧丁丁烷烷BAMO等等叠叠氮氮化化合合物物;二二硝硝酰酰胺胺盐盐ADN;六硝基六氮杂异伍兹烷;六硝基六氮杂异伍兹烷CL-20;等等。
;等等。
2.2含能材料的组成与结构含能材料的组成与结构火药(发射药和推进剂)基本组份火药(发射药和推进剂)基本组份粘合剂粘合剂可可增增塑塑的的热热塑塑性性大大分分子子:
由由棉棉纤纤维维、木木纤纤维维等等酯酯化化得得到到的的硝硝化纤维素(棉纤维硝酸酯硝化棉化纤维素(棉纤维硝酸酯硝化棉NC)。
)。
问问题题:
热热稳稳定定性性、敏敏感感性性,玻玻璃璃化化温温度度较较高高,工工艺艺性性、环环保保性等。
采用键合剂等功能材料,无法解决性等。
采用键合剂等功能材料,无法解决NC的本质问题。
的本质问题。
可可固固化化交交联联反反应应形形成成弹弹性性体体的的热热固固性性高高分分子子:
聚聚氨氨酯酯、聚聚丁丁二二烯烯(端端羟羟基基HTPB、端端羧羧基基CTPB)、聚聚醚醚等等。
聚聚醚醚聚聚氨氨酯酯与与NC一一样样可可以以被被硝硝酸酸酯酯增增塑塑,也也可可形形成成三三维维网网络络的的弹弹性性体,力学性能好,可充填体,力学性能好,可充填70%80%的高能固体组份。
的高能固体组份。
在在高高分分子子上上引引入入含含能能基基团团的的粘粘合合剂剂:
含含有有叠叠氮氮基基的的聚聚叠叠氮氮缩缩水甘油醚(水甘油醚(GAP)作为推进剂的粘结剂。
)作为推进剂的粘结剂。
借借鉴鉴固固体体推推进进剂剂经经验验,开开始始研研究究含含能能高高分分子子化化合合物物取取代代NC作作发发射射药药的的粘粘合合剂剂。
如如BAMO(3,3-二二叠叠氮氮甲甲基基环环氧氧丁丁烷烷)/AMMO(3-叠叠氮氮甲甲基基-3-甲甲基基环环氧氧丁丁烷烷)共共聚聚物物、GAP(聚聚叠叠氮氮缩缩水水甘甘油油醚醚)、NIMMO(聚聚3-硝硝氧氧甲甲基基-3-甲甲基基氧氧杂杂环环丁烷)等。
本身具有较高能量(有较大的正生成热)。
丁烷)等。
本身具有较高能量(有较大的正生成热)。
增塑剂增塑剂含能增塑剂:
含能增塑剂:
双基药(发射药、推进剂)双基药(发射药、推进剂)主主要要用用多多元元醇醇硝硝酸酸酯酯,如如硝硝化化甘甘油油NG、硝硝化化二二乙乙二二醇醇DEGN、硝硝化化三三乙乙二二醇醇TEGN、丁丁三三醇醇三三硝硝酸酸酯酯BTTN等等。
NG的的能能量量、爆爆温温、烧烧蚀蚀、感感度度高高。
用用DEGN或或TEGN代代替替或或部分代替部分代替NG,可降低爆温,对高氮量,可降低爆温,对高氮量NC的溶塑能力好。
的溶塑能力好。
惰惰性性增增塑塑剂剂:
溶溶塑塑NC成成为为可可塑塑性性药药料料。
常常用用乙乙醇醇、乙乙醚醚、丙丙酮酮、乙乙酸酸乙乙酯酯等等挥挥发发性性溶溶剂剂;苯苯二二甲甲酸酸二二丁丁酯酯、苯苯二二甲甲酸酸二二辛辛酯酯、甘甘油油三三醋醋酸酸酯酯等等非非挥挥发发性性溶溶剂剂。
挥挥发发性性成成份份在在发发射射药加工成型后被驱除。
药加工成型后被驱除。
高高能能添添加加剂剂:
黑黑索索今今(RDX)、奥奥克克托托今今(HMX)等等;六六硝硝基基六六氮氮杂杂异异伍伍尔尔兹兹烷烷(CL-20)和和二二硝硝酰酰胺胺铵铵(ADN)等等;推推进进剂还采用高氯酸铵、硝酸铵等。
生成焓和密度大。
剂还采用高氯酸铵、硝酸铵等。
生成焓和密度大。
高高能能燃燃烧烧剂剂(推推进进剂剂):
轻轻金金属属及及其其氢氢化化物物,燃燃烧烧放放热热量量大大,提提高高燃燃烧烧温温度度获获得得高高能能量量。
广广泛泛使使用用铝铝粉粉。
一一些些轻轻金金属属的的氢氢化化物物燃燃烧烧时时放放热热量量比比轻轻金金属属更更高高,气气体体分分子子量量低低,但但化化学学活活性高,对空气湿度敏感,热稳定性低。
性高,对空气湿度敏感,热稳定性低。
NGDEGNTEGNRDX安定剂和防老剂:
安定剂和防老剂:
抑制分解和老化,延长贮存和使用寿命抑制分解和老化,延长贮存和使用寿命NC等等硝硝酸酸酯酯化化合合物物始始终终存存在在缓缓慢慢化化学学分分解解,氮氮氧氧化化物物产产物物又又加加速速分分解解,加加入入少少量量安安定定剂剂吸吸收收氮氮氧氧化化物物,减减缓缓自自动动催催化化反应,延长储存年限。
反应,延长储存年限。
硝硝酸酸酯酯对对碱碱性性敏敏感感(皂皂化化反反应应),采采用用弱弱碱碱性性物物质质。
常常用用安安定定剂剂为为二二苯苯胺胺、1号号中中定定剂剂二二乙乙基基二二苯苯基基脲脲,2号号中中定定剂剂二二甲甲基基二二苯苯基基脲脲,3号号中中定定剂剂甲甲基基乙乙基基二二苯苯基基脲脲等等脲脲素素衍衍生生物物,作用是吸收硝酸酯缓慢分解产生的氮氧化物。
作用是吸收硝酸酯缓慢分解产生的氮氧化物。
复复合合推推进
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