CN106938966A - 一种用于直写入火工品的点火含能墨水及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直写入火工品的点火含能墨水及其制备方法。本发明采用N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，将炸药超声溶于N,N-二甲基甲酰胺制备含能墨水的分散溶剂，同时按比例加入高能量密度的纳米铝热剂使含能墨水具有更高的能量和更好的点火感度，搅拌并超声使纳米铝热剂均匀分布得到含能墨水。针对不同点火感度要求和能量输出要求，本发明可调节各组分配比实现含能墨水的感度和输出的可控性。含能墨水通过喷墨打印直写技术装入火工品中，真空烘干使溶剂挥发，炸药在纳米铝热剂表面析出重结晶，使各组分在微观尺度上混合均匀，得到高能量、高燃速且感度可控的火工点火药剂，同时制备出的含能墨水具有较好的流变性，可实现对各类药室形状的异形装药。

Description

一种用于直写入火工品的点火含能墨水及其制备方法

技术领域

本发明属于火工品技术领域，具体涉及一种用于直写入火工品的点火含能墨水及其制备方法。

背景技术

起爆传爆序列是一系列火工品的排列组合，主要功能是将一个很小的初始能量通过爆炸元件的逐级放大，输出爆轰能量，以引爆弹药或者爆炸装置中的主装药。对武器系统而言，引信作用的成功与否直接决定了武器系统的毁伤作用的成功与否，而爆炸序列的成败又决定了引信作用的成败。因此，爆炸序列是引信控制弹药起爆的核心部分之一。爆炸序列以传爆序列研究的较多，也较为关键，传爆序列一般由火帽(或电点火头、电点火管)、雷管、导爆管、传爆药柱等组成。其中，在微电子机械系统(MEMS)引信安全与解除保险装置毫米量级乃至更小尺寸的应用环境下，如何实现点火起爆装置的精确装药，并保证含能材料具有正常的起爆传爆功能，成为MEMS引信安保装置发展的一个难题。

目前可选用的装药方法主要有：压装法，铸装法和直写技术。直写技术基于“自由堆积/去除原理”，可由预先设计的图形数据驱动在某种材料的表面实现材料的沉积、转移或处理，含能材料的直写沉积是通过数字控制的直写装置将含能墨水直接书写在MEMS器件的基底表面或沉积到装药孔道或沟槽中，待墨水中的溶剂挥发后，含能材料便沉积在预定的位置。采用直写技术来进行MEMS引信安全与解除保险装置的微装药，具有安全、可批量沉积以及精确图形化特点，这正是发展MEMS引信的关键。正因为直写技术有着如此的优势，使其成为了极具潜力的MEMS器件的微装药方式，墨水直写技术的快速发展迫切需要加速适用于直写工艺的含能墨水的研制。

点火药在外界初始冲能的作用下能够发生迅速的燃烧反应，放出大量的热、气体和热的固体残渣，从而点燃各种火药、烟火药和火工品。由于高热剂类烟火药在反应过程中具有放热量大、燃烧温度高、伴有的特殊光学效应明显等特点，在军事、工业和日常生活中得到广泛应用。然而，由于高热剂是烟火剂中很难点燃的一类药剂，如何实现其快速、方便、可靠的引燃是急需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于直写入火工品的点火含能墨水及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案如下：一种用于直写入火工品的点火含能墨水，由炸药、N,N-二甲基甲酰胺和纳米铝热剂按以下质量百分比组成：

炸药 5％～15％

纳米铝热剂 10％～45％

N,N-二甲基甲酰胺 50％～75％。

优选地，所述的炸药选自奥克托今(HMX)或黑索今(RDX)。

溶剂分散体系选用N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂，将炸药溶于溶剂制成分散溶剂。二甲基甲酰胺是一种优良的溶剂，纳米铝热剂主要以颗粒状悬浮在分散溶剂中，当二甲基甲酰胺挥发后，炸药晶体析出，附着于纳米铝热剂上，实现药剂各组分的分散混合，提高体系的传热传质效率。

本发明选择具有高热量的纳米铝热剂加入到墨水中，通过改变铝热剂在墨水中的比例来调节含能墨水的感度和能量输出。

优选地，所述的纳米铝热剂选自Al/MoO₃、Al/Fe₂O₃或Al/CuO，其中，纳米铝热剂中纳米铝粉与纳米氧化物粉体的摩尔比为化学反应式中的化学计量比。

优选地，所述的N,N-二甲基甲酰胺与炸药的质量比≥5:1。

本发明还提供上述用于直写入火工品的点火含能墨水的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，纳米铝热剂的制备：

按比例称取纳米铝粉和纳米氧化物粉体，加入到正己烷中，超声混合均匀后将混合溶液真空干燥，得到纳米铝热剂；

步骤2，含能墨水分散溶剂的制备：

按比例将炸药溶于N,N-二甲基甲酰胺中，加热搅拌超声使其完全溶解，得到含能墨水分散溶剂；

步骤3，含能墨水的制备：

在含能墨水分散溶剂中加入纳米铝热剂，超声分散完全即得到含能墨水。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过将炸药溶于DMF溶剂中，再与铝热剂混合制备含能墨水，含能墨水烘干后，炸药析出重结晶于纳米铝热剂表面，可提高各组分之间的混合率，达到较为理想的混合状态，相比于一般混合点火药剂具有更高的传热传质效率、输出能量和更快的燃速；同时，本发明制备的含能墨水可在很大范围内调节其组分配比，实现对药剂感度和输出性能的调控；制备出的含能墨水具有较好的流变性，可实现对各类药室形状的异形装药。

附图说明

图1为本发明的用于直写入火工品的点火含能墨水的制备工艺流程示意图。

图2为本发明的用于直写入火工品的点火含能墨水的SEM表征图。

图3为本发明的用于直写入火工品的点火含能墨水的发火情况图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的用于直写入火工品的点火含能墨水的制备工艺流程如图1所示。首先制备纳米铝热剂和含能墨水分散溶剂，然后再将纳米铝热剂和含能墨水分散溶剂混合并超声分散均匀，最终制得用于直写入火工品的点火含能墨水。其中，纳米铝热剂的制备工艺为先按比例称取纳米铝粉和纳米氧化物粉体，加入到正己烷中，超声混合均匀后将混合溶液置于真空烘箱中烘干，得到纳米铝热剂；含能墨水分散溶剂的制备工艺为按比例将炸药溶于N,N-二甲基甲酰胺中，加热搅拌超声使其完全溶解，得到含能墨水分散溶剂。

实施例1

一种用于直写技术的纳米Al/MoO₃与HMX配制的含能墨水配方，含能墨水配方主要有HMX炸药，纳米铝热剂(Al/MoO₃)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)组成，其具体配制过程如下：

第一步：纳米铝热剂制备。按比例称取纳米铝粉0.162g和纳米三氧化钼0.438g粉末(质量比为27:73)加入到2ml正己烷溶剂中，超声混合30分钟(功率80％)，使纳米铝粉和纳米三氧化钼充分混合，然后将混合溶液置于真空烘箱中，烘干4h，正己烷挥发，得到纳米铝热剂Al/MoO₃。

第二步，含能墨水分散溶剂制备。将奥克托今0.4g加入到2mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中，加热搅拌超声，使奥克托今完全溶解于溶液中，得到含能墨水分散溶剂。

第三步，含能墨水制备。将已配制好的纳米铝热剂Al/MoO₃加入到分散溶剂中，超声混合30分钟(功率80％)，使纳米铝热剂Al/MoO₃在奥克托今的分散溶剂中充分混合分散，得到含能墨水。

实施例2

一种用于直写技术的纳米Al/MoO₃与HMX配制的含能墨水配方，含能墨水配方主要有HMX炸药，纳米铝热剂(Al/MoO₃)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)组成，其具体配制过程如下：

第一步：纳米铝热剂制备。按比例称取纳米铝粉0.243g和纳米三氧化钼0.657g粉末(质量比为27:73)加入到2ml正己烷溶剂中，超声混合30分钟(功率80％)，使纳米铝粉和纳米三氧化钼充分混合，然后将混合溶液置于真空烘箱中，烘干4h，正己烷挥发，得到纳米铝热剂Al/MoO₃。

第二步，含能墨水分散溶剂制备。将奥克托今0.1g加入到2mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中，加热搅拌超声，使奥克托今完全溶解于溶液中，得到含能墨水分散溶剂。

第三步，含能墨水制备。将已配制好的纳米铝热剂Al/MoO₃加入到分散溶剂中，超声混合30分钟(功率80％)，使纳米铝热剂Al/MoO₃在奥克托今的分散溶剂中充分混合分散，得到含能墨水。

实施例3

一种用于直写技术的纳米Al/MoO₃与HMX配制的含能墨水配方，含能墨水配方主要有HMX炸药，纳米铝热剂(Al/MoO₃)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)组成，其具体配制过程如下：

第一步：纳米铝热剂制备。按比例称取纳米铝粉0.108g和纳米三氧化钼0.292g粉末(质量比为27:73)加入到2ml正己烷溶剂中，超声混合30分钟(功率80％)，使纳米铝粉和纳米三氧化钼充分混合，然后将混合溶液置于真空烘箱中，烘干4h，正己烷挥发，得到纳米铝热剂Al/MoO₃。

第二步，含能墨水分散溶剂制备。将奥克托今0.6g加入到3mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中，加热搅拌超声，使奥克托今完全溶解于溶液中，得到含能墨水分散溶剂。

第三步，含能墨水制备。将已配制好的纳米铝热剂Al/MoO₃加入到分散溶剂中，超声混合30分钟(功率80％)，使纳米铝热剂Al/MoO₃在奥克托今的分散溶剂中充分混合分散，得到含能墨水。

实施例4

一种用于直写技术的纳米Al/Fe₂O₃与HMX配制的含能墨水配方，含能墨水配方主要有HMX炸药，纳米铝热剂(Al/Fe₂O₃)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)组成，其具体配制过程如下：

第一步：纳米铝热剂制备。按比例称取纳米铝粉0.126g和纳米三氧化二铁0.374g粉末(质量比为25:75)加入到2ml正己烷溶剂中，超声混合30分钟(功率80％)，使纳米铝粉和纳米三氧化二铁充分混合，然后将混合溶液置于真空烘箱中，烘干4h，正己烷挥发，得到纳米铝热剂Al/Fe₂O₃。

第二步，含能墨水分散溶剂制备。将奥克托今0.5g加入到3mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中，加热搅拌超声，使奥克托今完全溶解于溶液中，得到含能墨水分散溶剂。

第三步，含能墨水制备。将已配制好的纳米铝热剂Al/Fe₂O₃加入到分散溶剂中，超声混合30分钟(功率80％)，使纳米铝热剂Al/Fe₂O₃在奥克托今的分散溶剂中充分混合分散，得到含能墨水。

实施例5

一种用于直写技术的纳米Al/MoO₃与RDX配制的含能墨水配方，含能墨水配方主要有RDX炸药，纳米铝热剂(Al/MoO₃)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)组成，其具体配制过程如下：

第一步：纳米铝热剂制备。按比例称取纳米铝粉0.162g和纳米三氧化钼0.438g粉末(质量比为27:73)加入到2ml正己烷溶剂中，超声混合30分钟(功率80％)，使纳米铝粉和纳米三氧化钼充分混合，然后将混合溶液置于真空烘箱中，烘干4h，正己烷挥发，得到纳米铝热剂Al/MoO₃。

第二步，含能墨水分散溶剂制备。将黑索今0.4g加入到2mL N,N-二甲基甲酰胺溶液中，加热搅拌超声，使黑索今完全溶解于溶液中，得到含能墨水分散溶剂。

第三步，含能墨水制备。将已配制好的纳米铝热剂Al/MoO₃加入到分散溶剂中，超声混合30分钟(功率80％)，使纳米铝热剂Al/MoO₃在黑索今的分散溶剂中充分混合分散，得到含能墨水。

实施例6

1.SEM表征

扫描电子显微镜下对含能墨水进行表征，结果如图2所示。从图2中可以看出，含能墨水中各组分混合均匀，整体呈堆栈状，Al粉颗粒和HMX重结晶颗粒均匀地粘附于长直板状的MoO₃颗粒之上。

2.摩擦感度测试

为研究Al/MoO₃-HMX复合含能材料的摩擦感度，参照GJB5891.24-2006利用MGY-1型摩擦感度仪，测试Al/MoO₃-HMX在摩擦作用下，发生反应的难易程度。

具体的实验方法：将定量的试样限制在两个光滑的硬表面之间，在恒定的挤压压力与外力作用下经受一定的摩擦作用，观察是否发生爆燃，用其爆燃概率表征试样的摩擦感度值，平行试验进行两组，计算爆燃概率，判定两组数据是否有显著差异。每组进行25发，每种药测试两组，测试条件：室温：23℃、锤重：1.500kg、表压0.64MPa、相对湿度58％、药量20.0mg、摆角50°，测试结果见表1。

表1 不同配比下Al/MoO₃-HMX的摩擦感度测试

3.火焰感度测试

为研究Al/MoO₃-HMX复合含能材料的火焰感度，对两种配方(Al/MoO₃：HMX＝3:7，Al/MoO₃：HMX＝4:6)进行火焰感度测试，参照GJB770B-2005利用火焰感度仪测试Al/MoO₃-HMX在明火作用下发生反应的能力。

具体的实验方法是：准确称取10.0mg样品，装入火帽壳内，在火帽架上固定火帽壳，改变导火索的固定架以调节上下两个固定架间的距离，点燃导火索并观察火焰对样品的点燃情况，测定样品100％发火时的最大高度(上限)，用上限的高度来表示样品火焰感度的大小，平行试验进行两组，计算爆炸概率，判定两组数据是否有显著差异。每组进行25发，每种药测试两组，测试条件：环境温度24℃、环境湿度61％。

测试结果：两组样品在测试高度为9.0cm的条件下，爆炸概率都为100％，测试结果如表2所示。

表2 不同配比下Al/MoO₃-HMX的火焰感度测试

4.撞击感度测试

按照GJB772A-1997《炸药试验方法》601.3撞击感度12型工具法对被测药剂(Al/MoO₃：HMX＝4:6)的撞击感度进行测试。

试验条件：

落锤质量：2.0kg；

药量：50±1mg；

试验判据：有爆炸声、发光、冒烟、试样变色、爆炸痕迹、燃烧痕迹及分解或爆炸气体气味时，则判定为发生反应；否则判定为未发生反应。试验结果如表3所示。

表3 Al/MoO₃-HMX(4:6)的特性落高

感度测试发现，药剂火焰感度较高，当HMX含量上升，药剂摩擦感度降低，但火焰感度仍然很高。Al/MoO₃-HMX(4:6)撞击发火所需能量为7.84J。

5.含能墨水发火情况

通过高速摄影仪(HG-100K)来记录发火的影像，高速摄影采样率为50000帧/秒。试样为Al/MoO₃-HMX(4:6)，药量10mg，点火桥为半导体桥，激励电压为40V。

结果如图3所示。药剂在半导体桥的激发下发火燃烧，在500μs时间内火焰达到最大，火焰高度超过2.5cm，药剂在3ms时间内燃烧完毕，药剂具有发火时间短，燃烧速度快，发火能量高的优点。

Claims (6)

1.一种用于直写入火工品的点火含能墨水，其特征在于，由炸药、N,N-二甲基甲酰胺和纳米铝热剂按以下质量百分比组成：

炸药 5％～15％

纳米铝热剂 10％～45％

N,N-二甲基甲酰胺 50％～75％。

2.根据权利要求1所述的用于直写入火工品的点火含能墨水，其特征在于，所述的炸药选自奥克托今或黑索今。

3.根据权利要求1所述的用于直写入火工品的点火含能墨水，其特征在于，所述的纳米铝热剂选自Al/MoO₃、Al/Fe₂O₃或Al/CuO。

4.根据权利要求1所述的用于直写入火工品的点火含能墨水，其特征在于，所述的纳米铝热剂中纳米铝粉与纳米氧化物粉体的摩尔比为化学反应式 $\frac{2}{3}yAl+M_x{O}_y=\frac{y}{3}{\mathrm{Al}}_2{O}_3+xM$ 中的化学计量比。

5.根据权利要求1所述的用于直写入火工品的点火含能墨水，其特征在于，所述的N,N-二甲基甲酰胺与炸药的质量比≥5:1。

6.根据权利要求1所述的用于直写入火工品的点火含能墨水的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，纳米铝热剂的制备：

按比例称取纳米铝粉和纳米氧化物粉体，加入到正己烷中，超声混合均匀后将混合溶液真空干燥，得到纳米铝热剂；

步骤2，含能墨水分散溶剂的制备：

按比例将炸药溶于N,N-二甲基甲酰胺中，加热搅拌超声使其完全溶解，得到含能墨水分散溶剂；

步骤3，含能墨水的制备：

在含能墨水分散溶剂中加入纳米铝热剂，超声分散完全即得到含能墨水。