Verminder de gevoeligheid van CL-20 door de thermische geleidbaarheid te verbeteren door middel van koolstofnanomaterialen

Resultaten en discussie

Kenmerken van microstructuur

Figuur 1 toonde de SEM-morfologieën van CL-20, het mengsel van rGO en CNT en op CL-20 gebaseerde composieten. Zoals we kunnen zien, waren de meeste onbewerkte CL-20-deeltjes spindels met een deeltjesgrootte van ongeveer 300 m (Fig. 2a), en na het malen in een kogel, was de CL-20-deeltjesgrootte aanzienlijk verminderd, ongeveer 200 nm (Fig. 2b) . Zoals getoond in figuur 2c, was de gemiddelde grootte van rGO met vijf lagen 2 m, en CNT hechtte aan de rGO en vormde een complexe structuur met CNT die aangrenzende rGO overbrugde. Na gecoat met op koolstof gebaseerde nanomaterialen, werd waargenomen dat CNT agglomereerde in de composieten (Fig. 2d, e), wat de prestaties van hoge thermische geleidbaarheid ernstig beïnvloedde. En zoals getoond in Fig. 2f, werden CNT en rGO niet gedetecteerd in de monsters die waren gecoat met het mengsel van CNT en rGO, wat aangeeft dat beide gelijkmatig waren verspreid en het kan ook te wijten zijn aan de kleine hoeveelheid ervan.

SEM-morfologieën van CL-20, het mengsel van rGO en CNT, en op CL-20 gebaseerde composieten:a onbewerkte CL-20; b gemalen CL-20; c rGO + CNT; d , e CL-20/CNT; en f CL-20/rGO + CNT

Zoals weergegeven in Fig. 3, zijn er karakteristieke pieken bij 2θ = 12.59 ^o , 13.82 ^o , 30.29 ^o , wat in overeenstemming is met het standaard ε-vormpatroon, wat aangeeft dat de verkregen onbewerkte CL-20 een ε-vorm is [6, 19]. En de positie van de diffractiepieken van de gecoate monsters is in principe hetzelfde als de posities van de onbewerkte CL-20, wat aangaf dat de monsters na het coaten nog steeds de ε-vorm behielden [18]. Bij dezelfde diffractiehoek komen de gecoate monsters echter overeen met de intensiteit van de diffractiepieken die aanzienlijk zwakker zijn dan die van de grondstof, en de diffractiepieken zijn gedeeltelijk verbreed, wat voornamelijk te wijten is aan de invloed van de deeltjesgrootte van de coatingmaterialen.

Röntgendiffractiepatronen van monsters

Thermische analyse

DSC wordt gebruikt om de thermische ontledingsprestaties van de monsters te testen. Getoond in Fig. 4 zijn de DSC-curven van de monsters met een verwarmingssnelheid van 5 ° C/min. De exotherme piek van CL-20 bereikte het piekpunt bij 242 ° C en daalde toen scherp, wat consistent was met de thermische ontleding van explosieven [20]. De thermische ontleding van de gecoate monsters is ook te zien in figuur 4, en de trend is ruwweg vergelijkbaar met die van grondstof, en het verschil in piekontledingstemperaturen tussen de monsters die zijn gecoat met het mengsel van rGO en CNT en onbewerkte CL-20 is dicht bij 2 ° C, wat aangeeft dat hun compatibiliteitseffect superieur is dan dat van andere [21], en de redenen voor slechte compatibiliteit met anderen worden meestal beïnvloed door agglomeratie- of VDW-krachten. Bij dezelfde verwarmingssnelheid zijn de ontledingspieken van de gecoate monsters echter eerder dan die van de grondstof, wat aangeeft dat de samengestelde thermische ontledingsreactie was gevorderd, de rGO en CNT kunnen de ontleding van CL-20 katalyseren. Het kan explosieve moleculen ook gemakkelijker en actiever laten ontleden en ook de maximale ontledingspiektemperatuur verlagen. Bovendien verminderde de toevoeging van CNT de enthalpie van explosie-ontleding aanzienlijk van -2384,95 tot -779,82 J/g, wat zou kunnen leiden tot een verminderde energieprestatie van explosieven (explosiewarmte en explosietemperatuur) die in praktische toepassingen wordt verzwakt. Daarom brengt het gebruik van rGO met een betere thermische stabiliteit de ontledingsenthalpie van het mengsel in evenwicht en maakt het stabiel op -1897,80 J/g [6]. Trouwens, de inhoud van CNT in explosief systeem moet ook strikt worden gecontroleerd.

DSC-curven van monsters

Gevoeligheidsanalyse

Onder normale omstandigheden weerspiegelt speciale hoogte de gevoeligheid van explosieven, hoe hoger de speciale hoogte, hoe ongevoeliger explosieven en hoe hoger de veiligheid. Zoals weergegeven in Afb. 5, is de speciale hoogte (H₅₀ ) van onbewerkte CL-20 is 17,3 cm. De speciale hoogte van monster 2, monster 3 en monster 4 veranderde van 17,3 naar 65,8, 50,3 en 68,7 cm; de slaggevoeligheid was aanzienlijk verminderd. Dit komt voornamelijk omdat enerzijds rGO en CNT een dichte beschermende film vormen op het oppervlak van de CL-20 onder invloed van een bindmiddel, om het oppervlak te passiveren en nauwelijks de "hot spot" onder de externe mechanische stimulatie. Aan de andere kant, vanwege de uitstekende thermische eigenschappen van rGO en CNT, vooral het mengsel daarvan, is het gunstig om gelijkmatig te verwarmen [18, 22] en de schokgevoeligheid van het hele explosieve systeem te verminderen.

Impactgevoeligheid van samples

Verder is de hoeveelheid accumulatie van statische elektriciteit een belangrijke parameter voor het evalueren van de elektrostatische eigenschappen van energetische materialen en de veiligheid in de elektrostatische omgeving. De hoeveelheid accumulatie van statische elektriciteit van onbewerkte CL-20 en de gecoate monsters wordt getoond in Fig. 6. De accumulatie van statische elektriciteit van de gecoate monsters was aanzienlijk lager dan die van de grondstof, voornamelijk omdat het CL-20-kristal was gebonden door de bindmiddel en coatingmaterialen tot grotere deeltjes, waardoor de wrijving tijdens het contactgebied wordt verminderd, waardoor de door wrijving geaccumuleerde lading wordt verminderd [23, 24]. Bovendien wordt de elektrostatische accumulatie van CL-20 bedekt met een mengsel van rGO en CNT voornamelijk beïnvloed door de CNT [25].

Statische elektriciteitsaccumulatie van monsters

Thermische geleidbaarheidsanalyse

De thermische diffusie en thermische geleidbaarheid van alle monsters zijn weergegeven in tabel 1. Er kan worden vastgesteld dat bij 25 °C de thermische geleidbaarheid van ruwe CL-20 slechts 0,143 W/mK was. Na coating met 1 gew.% koolstofnanomaterialen , werden de thermische diffusie en thermische geleidbaarheid aanzienlijk verhoogd, waarvan de monsters bedekt met het mengsel van CNT en rGO de hoogste thermische geleidbaarheid van 0,64 W/mK hadden, en dat is 4,5 keer van de onbewerkte CL-20. Dit komt voornamelijk omdat zowel rGO als CNT een zeer hoge thermische geleidbaarheid hebben en hun toepassing van explosieven de thermische geleidbaarheid van explosievenmoleculen aanzienlijk kan verbeteren. Bovendien kan volgens de literatuur slechts een zeer kleine hoeveelheid koolstofnanomaterialen (rGO of CNT) die aan de explosieven wordt toegevoegd, een significante verbetering van de effectieve thermische geleidbaarheid bereiken [7]. Daarom werd in dit experiment slechts 1 gew.% coatingmateriaal toegevoegd om het beste effect te bereiken.

Volgens de bovengenoemde thermische analyse kan worden gezien dat het mengsel van rGO en CNT effectiever was voor het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van CL-20 dan het gebruik van rGO of CNT alleen. Om de invloed van op koolstof gebaseerde materialen op de thermische geleidbaarheid van CL-20 beter te onderzoeken, hoeft u alleen maar de bovenstaande afbeelding van het mechanisme te tekenen. Zoals weergegeven in Fig. 7 (de groene bol van de fles vertegenwoordigt CL-20-deeltjes, de grijze rechthoek vertegenwoordigt tweedimensionale rGO, de zwarte lijn vertegenwoordigt CNT, de rode lijn vertegenwoordigt het thermische geleidingspad en de lege ruimte vertegenwoordigt estan), rGO en CNT hebben een synergetisch effect op het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van CL-20. Aan de ene kant overbrugde CNT de aangrenzende rGO en CL-20 explosieve deeltjes, en CNT speelde de rol van overbrugging, die profiteren van de betere flexibiliteit van CNT [26]. Bovendien kan eendimensionale CNT extra kanalen bieden voor de warmtestroom van de polymeermatrix. En aan de andere kant kan het gebruik van de tweedimensionale structuur van grafeenvlokken meer knooppunten naar CNT creëren, wat wordt toegeschreven aan het hoge specifieke oppervlak van rGO [27]. Sinds de interactie tussen de rGO en CNT, creëert het meer warmtegeleidingspaden en biedt het meer paden voor fonontransmissie, waardoor een driedimensionale netwerkstructuur van thermische geleiding wordt gevormd. Bovendien is het vanwege het hoge specifieke oppervlak van rGO en CNT gunstig om het contactoppervlak tussen de coatingmaterialen en de explosieve matrix te vergroten en de thermische weerstand tussen de lagen te verminderen. Bovendien heeft rGO een vergelijkbare chemische structuur als de CNT, zodat hun thermische weerstand aan de grensvlakken aanzienlijk kan worden verminderd [28], waardoor de efficiëntie van de warmteoverdracht van het hele systeem wordt verbeterd. Terwijl voor de CL-20, die respectievelijk rGO of CNT als warmtegeleidende vulstoffen gebruikt, hoewel beide een zeer hoge thermische geleidbaarheid hebben, de interfacegrens en defectverstrooiing van CNT de thermische weerstand tussen lagen kunnen verhogen, en de VDW tussen de rGO verhoogt ook de thermische weerstand, waardoor de algehele efficiëntie van de warmteoverdracht wordt verminderd.

Schematisch diagram van thermische overdracht van CL-20/rGO + CNT

Zoals we allemaal weten, worden in de explosieve ladingen kleine poriën of holtes onderworpen aan adiabatische compressie, wat leidt tot een snelle temperatuurstijging in de poriën. Wanneer de temperatuur de kritische temperatuur overschrijdt, wordt een "hot spot" gevormd, die nabijgelegen explosieve deeltjes verhit en ervoor zorgt dat ze ontleden en meer warmte afgeven om een ​​explosie te veroorzaken [29]. Om het ontstaan ​​van "hot spot" te verminderen, is het noodzakelijk om de hot spot-temperatuur en warmte-inhoud te regelen, terwijl de hoge thermische geleidbaarheid van de vulmaterialen de "hot spot"-temperatuur en warmte-inhoud effectief kan verminderen. Vanwege de hoge thermische geleidbaarheid en zachte eigenschappen worden rGO en CNT als vulstoffen aan de CL-20 toegevoegd, die niet alleen een dunne coating op het oppervlak van het explosief kunnen vormen, de holtes kunnen aanvullen en de wrijving tussen de deeltjes kunnen verzwakken , maar ook helpen de deeltjes gelijkmatig te verwarmen en snel te verspreiden om de warmte-inhoud te verminderen. Vooral het mengsel daarvan, ze kunnen een driedimensionaal thermisch netwerk vormen om de warmteoverdracht efficiënter te verbeteren, net zoals hierboven besproken. Wanneer de "hot spot" afneemt, worden de explosieve deeltjes gelijkmatig verwarmd en worden ze niet gemakkelijk beïnvloed door externe prikkels, waardoor de impactgevoeligheid van het explosieve systeem wordt verminderd en de stabiliteit van het explosief wordt gewaarborgd. Daarom is het belangrijk om de thermische geleidbaarheid van het hele systeem te verbeteren om de gevoeligheid te verminderen.

Verder hebben we in deze studie een lineaire aanpassing van de thermische geleidbaarheid en de speciale hoogte van de gecoate monsters uitgevoerd. Zoals te zien is in figuur 8, was de relatie tussen beide positief gecorreleerd. Naarmate de thermische geleidbaarheid van het monster toenam, verbeterde de speciale hoogte geleidelijk, wat aangeeft dat de gevoeligheid van het explosieve systeem aanzienlijk was verminderd. Het resultaat bewees dat de thermische geleidbaarheid van het systeem een ​​belangrijke invloed had op de impactgevoeligheid van Cl-20. Bovendien hebben we de empirische formule (Vgl. (2)):

Relatiediagram tussen thermische geleidbaarheid en speciale hoogte

waar x en y zijn respectievelijk de thermische geleidbaarheid [W/(m·K)] en de slaggevoeligheid (cm). Zoals we kunnen zien, vertoonden de thermische geleidbaarheid en gevoeligheid een duidelijk positieve relatie, wat ook betekent dat naarmate de thermische geleidbaarheid toeneemt, de gevoeligheid van het explosief aanzienlijk kan worden verminderd. Het bewijst ook dat het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van het explosieve systeem door toevoeging van koolstofnanomaterialen als warmtegeleidende vulstoffen de mechanische gevoeligheid van explosieven heeft helpen verminderen.

Ontploffingsprestaties

De theoretische detonatieprestaties (berekend door het EXPLO5-programma) en de werkelijke detonatiesnelheid voor de onbewerkte CL-20 en gecoate monsters worden weergegeven in tabel 2 (theoretische detonatieprestaties van monster 3 en monster 4 gebruikten beide de theoretische detonatiesnelheden van monster 1. En aangezien de werkelijke detonatiesnelheid van de grondstof niet kan worden gemeten, wordt de theoretische waarde gebruikt ter vergelijking). Uit de bovenstaande tabel blijkt dat de werkelijke detonatiesnelheid van de monsters over het algemeen lager was dan de theoretische waarde, die kan worden beïnvloed door de omgevingstemperatuur, het explosieve mengsel, het testinstrument en andere objectieve factoren [30, 31] . En zoals we kunnen zien, verminderde de detonatiesnelheid van monster 3 met 200 m/s dan andere gecoate monsters, wat aangeeft dat CNT een significant effect had op de detonatieprestaties, wat consistent was met de conclusie van thermische analyse. Maar de prestatie van monster 4 veranderde weinig, wat aangeeft dat de verschillende met koolstof beklede materialen die samen worden gebruikt weinig effect hebben op de detonatiesnelheid van de monsters. Hoewel de detonatiesnelheid zwakker is dan die van de CL-20-grondstoffen, heeft het algehele systeem nog steeds een prachtige energie-eigenschap.