文献导读：

这项发表在《Materials & Design》期刊上的研究由中北大学武碧栋副教授团队完成，文中详述了利用微流控技术制备高能奥克托今（HMX）微球的新方法。为了解决纳米铝粉在爆炸过程中易团聚且着火点高的问题，研究人员在微球中引入了铜铝复合颗粒，并选用多种粘结剂构建出具有三维多孔结构的均匀球体。实验结果表明，铜元素的加入有效催化了HMX的热分解，不仅显著缩短了点火延迟时间，还大幅提升了燃烧速率。此外，采用该技术制备的微球展现出优异的物理流动性和较低的机械敏感度，为开发高性能、安全且低成本的铝基炸药提供了重要参考。该工艺通过微通道精确控制液滴形成，在不破坏各组分晶型结构的前提下，实现了能量释放性能的跨越式优化。

本文要点：

1. 研究背景与目的

• 解决铝粉缺陷：铝粉（n-Al）常用于增强炸药性能，但其易团聚且着火温度高（>550 ℃），限制了能量释放效率。

• 引入铜（Cu）催化：铜具有优异的导热性，能保护铝在低温区的活性，并在高温区促进铝的氧化燃烧，缩短着火延迟。

• 技术创新：旨在寻找一种简单低成本的方法，将Cu/Al复合颗粒与高能炸药颗粒均匀结合，提高燃烧性能。

2. 制备工艺：液滴微流控技术

• 工艺原理：采用“十字形”流体聚焦芯片，利用连续相（SDS水溶液）剪切分散相（含HMX、Cu/Al颗粒、粘结剂和乙酸乙酯EA的悬浮液）形成微液滴。

• 固化机制：随着溶剂EA向连续相扩散，粘结剂将颗粒粘结，固化形成具有三维多孔结构的微球。

• 优势：制备过程简单、安全、试剂消耗低，且能够实现连续化操作。

3. 微球的形貌与结构特征

• 高度均匀性：制备的微球具有规则的球形、均匀的粒径和良好的单分散性。

• 多孔结构：微球内部和表面呈现多孔状，增加了炸药与金属颗粒的接触面积，有利于传热和燃烧。

• 晶型完整性：微流控技术不会破坏HMX、Al和Cu原有的晶型结构。

• 粘结剂影响：研究发现，使用NC（硝化棉）和F2604（氟橡胶）作为粘结剂时，微球的球形度更高、流动性更好、堆积密度更大。

4. 关键性能分析

• 促进热分解：Cu的引入对HMX的热分解具有催化作用，使其分解温度提前了约15–20 ℃。

• 增强燃烧性能：与仅含铝的微球相比，Cu/Al复合微球表现出更短的着火延迟和更快的燃烧速率。这是因为Cu在高温下可作为氧载体并促进铝粉穿透氧化膜快速反应。

• 降低机械敏感度：使用Cu/Al复合颗粒替代纯铝粉，能在一定程度上提高微球的抗冲击和抗摩擦能力，略微降低撞击感度和摩擦感度。

• 爆轰性能提升：计算显示，添加Cu及含能组分（如GAP、F2604）能有效提升铝化炸药的理论爆速和爆压。

5. 结论与意义

本研究证明了利用液滴微流控技术制备Cu/Al复合HMX微球是一种可行且高效的策略。该方法制备的微球包覆致密、颗粒混合均匀，能显著改善铝化炸药的能量输出和热分解特性，为高性能含铝炸药的设计提供了新思路。

图 1：微流控实验装置示意图。

图 2：(a) HMX/(Cu/n-Al) 微球形成示意图；(b) 微通道中形成液滴的高速摄影照片；(c) 使用 ANSYS Fluent 模拟微通道中的液滴形成过程；(d) 液滴在连续相中的固化过程。

制备这种高能复合微球的主要组分及其作用如下：

1. 核心含能组分

• 奥克托今（HMX，球磨处理）：作为微球的主要能量来源，提供爆轰所需的化学能。

• 铝（Al，纳米级）：作为高热值金属燃烧剂，用于提升炸药的爆轰性能、能量密度和热释放量。

2. 功能添加剂

• 铜（Cu）：以包覆在铝粉表面的形式引入，具有多重关键作用：

• 催化分解：显著降低HMX的热分解温度（提前约15–20 ℃）。

• 促进燃烧：在低温区保护铝的活性，在高温区作为氧载体促进铝的氧化，从而缩短着火延迟并提高燃烧速率。

• 降低感度：利用其良好的延展性和机械强度，缓解外部机械刺激，降低撞击和摩擦感度。

3. 结构与粘结组分

• 粘结剂（GAP、NC、F2604、HTPB）：

• 构建框架：将HMX和Cu/Al颗粒粘结在一起，形成稳定的三维多孔结构微球。

• 调节性能：不同粘结剂影响微球的球形度、孔隙率和机械强度；含能粘结剂（如GAP、F2604）还能提供额外的化学能（如叠氮基或氟元素）以提升爆轰性能。

• 乙酸乙酯（EA）：作为分散相的溶剂。在微流控过程中，它向连续相扩散，促使微滴固化成微球，并在此过程中形成多孔结构。

4. 工艺辅助组分

• 十二烷基硫酸钠（SDS）水溶液：作为连续相。

• 液滴剪切：通过剪切力将分散相切割成均匀的微液滴。

• 防止融合：作为表面活性剂降低界面张力，防止液滴在固化前相互碰撞或融合。

总结： 这些组分通过微流控技术的精准组装，使最终制备的微球在保持高能量密度的同时，获得了更优的燃烧效率、物理流动性和操作安全性。

图 3：(a) G-CA 15%、(b) N-CA 15%、(c) F-CA 15% 和 (d) H-CA 15% 的显微照片（第一行）、SEM 图像（第二行和第三行）以及 EDS 元素分布图（第四行为铝元素，第五行为铜元素）。第二行的插图显示了微球的截面图。

图 4：(a) G-CA15%、(b) N-CA15%、(c) F-CA15% 和 (d) H-CA15% 微球的粒径分布图。插图显示了粒径分布的箱线图。

图 5：(a) N-CA15% 中氮（N）元素和 (b) F-CA15% 中氟（F）元素的 EDS 图。

图 6：(a) G-CA 15%、(b) N-CA 15%、(c) F-CA 15% 和 (d) H-CA 15% 的氮气吸附-脱附曲线（第一列）和孔径分布曲线（第二列）。

图 7：激光共聚焦显微镜下 (a) G-CA15%、(b) N-CA15%、(c) F-CA15% 和 (d) H-CA15% 的三维形貌及二维球面俯视图（插图）。

图 8：(a) G-CA15%、(b) N-CA15%、(c) F-CA15% 和 (d) H-CA15% 的休止角。

图 9：(a) 新制备的 Cu/Al 复合颗粒、原始铝（Al）和铜（Cu）的 XRD 图谱；(b) 微球样品原始材料（HMX、Al 和 Cu）的 XRD 图谱。

图 10：(a) 不同微球样品及原始材料 HMX、NC 和 F2604 的 FTIR 光谱图；(b) GAP 和 G-CA 15% FTIR 光谱的局部放大图；(c) NC 和 N-CA 15% FTIR 光谱的局部放大图；(d) HTPB 和 H-CA15% FTIR 光谱的局部放大图。(a) 中的虚线框对应 (b)-(d) 所示的放大区域。

图 11：(a) 六种微球样品、(b) 四种使用 Cu/Al 复合颗粒制备的微球样品，以及 (c) 使用 Cu/Al 复合颗粒或仅使用纳米铝（n-Al）并以 NC 和 F2604 为粘结剂制备的四种微球样品的 TGA 曲线。

图 12：四种使用 Cu/Al 复合颗粒或仅使用纳米铝（n-Al）制备的微球样品的撞击感度误差棒 (a) 和摩擦感度误差棒 (b)。

图 13：(a) G-CA15%、(b) N-CA15%、(c) F-CA15% 和 (d) H-CA15% 燃烧过程的高速摄影照片。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111874

(本文仅供参考学习及传递微流控研究成果，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除)