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北理工教师在MOFs作为前驱体的起爆药研究方面取得突破性进展

文章来源:  发布时间:2016-06-06

来源:校园网  编辑:科学技术研究院 包成刚

火工药剂技术在武器弹药、航空航天中起点火、传火、引爆、传爆、延期、精确作功以及烟火效应等作用。它是武器系统始发能源的关键器件和装置,也是武器系统中最重要的子系统。起爆药作为初始装药直接装填或者与氧化剂、还原剂等混合后装填于火工品,直接控制着火工品或火工系统的感度、威力和各种作用效果。美国、俄罗斯、德国、英国等国从未间断对新型起爆药的开发与研究,一直都在不断探索与寻找性能更加优异、安全稳定性好的新型起爆药。

北京理工大学爆炸重点实验室杨利教授与王博教授合作,首次创新性地实现了以含铜有机框架(MOFs)作为前驱体,通过高温碳化和气-固叠氮化反应制备得到一类静电钝感的碳-叠氮化铜复合材料。该方法的提出,有效地借用了MOFs中的结构特点,有机配体和金属离子或团簇的排列具有明显的方向性,可以形成不同的框架孔隙结构。选取含铜离子的MOFs材料作为基底,通过碳化的方式使得配体结构中的原子转变为碳原子,其结构仍会保持原有结构中的原子排序与多孔性能的存在。这种多孔性能的极大优势是使得该化合物在进行叠氮化反应时更加完全,避免了部分未发生叠氮化反应即保留着铜原子本身而影响叠氮化铜的起爆威力,也避免了在叠氮化过程中产生叠氮亚铜,增加起爆药的不安全因素。原有结构中的原子排序有效地隔离了叠氮化铜分子,降低了其在受到外界弱刺激下的敏感程度。

  

  图1 碳-叠氮化铜复合材料的合成方法

该碳-叠氮化铜复合材料具有钝感的静电火花感度,50%静电发火能量为1.6 mJ,明显高于叠氮化铜(0.2 mJ)和斯蒂芬酸铅(0.5 mJ)等常规的高能量起爆药,具有合成方法简单、安全稳定等显著优势。同时,通过该方法得到的碳-叠氮化铜复合材料10 mg就可以独立完成点火起爆黑索金,具有更小的极限药量,在航天航空、武器系统以及民用爆破器材等领域中具有极大的应用价值。

  

  图2 碳-叠氮化铜复合材料的感度性能

目前,该成果以“Metal-Organic Framework Templated Synthesis of Copper Azide as the Primary Explosive with Low Electrostatic Sensitivity and Excellent Initiation Ability” 为标题在线发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》(影响因子17.43)。审稿专家给予了高度评价:“利用新型多孔骨架材料通过简单方法获得高能钝感起爆药,有效地改善了高能起爆药敏感、不安全的特点,这种理念的提出打破了使用复杂的有机合成方法制备含能材料的传统思想,是一种全新的设计方法,是近年来含能材料领域基础研究的重大突破,该论文第一时间就被推荐作为VIP文章发表”。

该工作主要由杨利教授指导的博士研究生王乾有完成,并得到了爆炸科学与技术国家重点实验室自主课题基金的资助。

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201601371/full

 

(审核:胡晓珉)