CN113916066B - 一种抗金属腐蚀型不敏感弹药及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及含能材料技术领域，具体公开了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药及其制备方法，其中抗金属腐蚀型不敏感弹药包括如下重量百分比的组分：0～10％的层状MXene和90～100％的3‑硝基‑1,2,4‑三唑‑5‑酮；制备方法先以氢氟酸刻蚀MAX相中的铝层得到层状MXene，将层状MXene与NTO原料按比例溶解于无水乙醇，最后通过蒸发结晶得到抗金属腐蚀型不敏感弹药。本发明中抗金属腐蚀型不敏感弹药不但使得NTO的抗金属腐蚀性能增强，而且使得NTO的撞击感度与摩擦感度进一步降低；制备方法简单，利用氢氟酸刻蚀掉MAX相得到导电MXenes，然后将MXenes与NTO通过重结晶法制备得到，具有实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及含能材料技术领域，更具体的说是涉及一种抗金属腐蚀型不敏感弹药及其制备方法。
背景技术
现代战争中提高武器的高效性与安全性是发展趋势，这对于含能材料的高能、钝感提出了新的要求。3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮（NTO）的爆轰能量接近于黑索金（RDX），感度近似于三氨基三硝基苯（TATB），有利于提高弹药的安全和威力，是一种具有良好应用前景的高能钝感炸药。
但是，NTO分子结构中的羰基和硝基具有很强的吸电子效应，使得邻位氮原子的电子云密度降低，进而氢很容易被电离，导致NTO具有较强的酸性。NTO的酸性会使得炸药的相容性变差，影响炸药或武器的储存年限。因此，对NTO进行改性以降低NTO的酸性对于推动NTO在武器装备中的实际应用、提高武器装备的安全性具有重要意义。
另外有研究表明，通过采用高分子粘结剂包覆NTO可以减少NTO与金属材料的接触，从而可以降低其酸性。但是，高聚物包覆法多会造成NTO能量降低，不利于其在武器装备方面的应用。
因此，提供一种抗金属腐蚀型不敏感弹药及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药及其制备方法。其中抗金属腐蚀型不敏感弹药不但使得NTO的抗金属腐蚀性能增强，而且使得NTO的撞击感度与摩擦感度进一步降低；制备方法简单，利用氢氟酸刻蚀掉MAX相得到导电MXenes，然后将MXenes与NTO通过重结晶法制备得到，具有实际应用价值。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药，包括如下重量百分比的组分：0~10%的层状MXene和90~100%的3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮；所述层状MXene由MAX相经氢氟酸刻蚀后得到。
上述优选技术方案的有益效果是：本发明将层状MXenes与NTO制备复合材料，改善了NTO的抗金属腐蚀性能。NTO分子结构中α位上存在的两个活泼氢极易被电离造成NTO具有很强的酸性，将其直接应用于装药中会因引发酸性腐蚀等一系列相容性问题。将导电MXenes引入NTO中改善了NTO的电导率，提供了稳定的化学和电化学反应界面，改善了NTO的抗金属腐蚀性能。此外，以氢氟酸刻蚀MAX相得到的MXenes，其表面存在有环氧基、羟基以及氟原子等活性基团，这些活性官能团与NTO分子中α位上的活泼氢形成氢键作用，使得活泼氢不易被电离进而改善了NTO的抗金属腐蚀性能。
优选的，所述MAX相为Ti3AlC2、Ti2AlC或Ti3AlCN中的一种或多种混合。
上述优选技术方案的有益效果是：本发明采用氢氟酸选择性刻蚀MAX相，一方面增强材料的导电性，以减缓NTO对于金属材料的腐蚀作用，另一方面在其表面引入活性基团以增强和NTO的粘结性。
本发明还提供了一种如上述抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）将氢氟酸溶液缓慢加入至MAX相中，进行刻蚀反应，刻蚀掉MAX相中的铝层，再经过滤、洗涤和干燥得到层状MXene；
（2）将上述层状MXene与NTO原料溶解于无水乙醇中，在超声条件下经过蒸发结晶得到抗金属腐蚀型不敏感弹药。
上述优选技术方案的有益效果是：本发明通过HF蚀刻制备的层状MXene具有类似手风琴形态，刻蚀后MXenes的表面可以接上末端氧、羟基和氟原子等活性基团，MAX材料的多样化促成了MXenes种类的多样化。将MXenes与NTO制备复合材料，一方面可以改善NTO的电导率以提供稳定的化学和电化学反应界面，另一方面MXenes表面的活性基团与NTO分子中的活泼氢形成氢键作用，有利于改善NTO酸性。此外，本发明通过重结晶法制备MXene/NTO复合材料，进一步降低了NTO的撞击感度与摩擦感度；通过重结晶不仅可以提高炸药的纯度，还可以改变炸药晶体的表面形貌、内部缺陷、粒度及分布。
优选的，步骤（1）中所述氢氟酸溶液中氢氟酸的质量分数≥40%。
优选的，步骤（1）中所述MAX相的粒径≤200目。
优选的，所述MAX相和所述氢氟酸溶液质量体积比为1g：10mL；
优选的，步骤（1）中所述刻蚀反应的温度为55~70℃，时间为24h。
优选的，步骤（2）中所述NTO原料的纯度≥98%。
优选的，步骤（2）中所述MXene、所述NTO和所述无水乙醇的质量体积比为（0.1~1）g：15g：100mL。
优选的，步骤（2）中所述超声的功率为500W；所述蒸发结晶的温度为60~80℃。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药及其制备方法，具有如下有益效果：
（1）本发明提供的抗金属腐蚀型不敏感弹药将导电MXenes引入NTO中，改善了NTO的电导率，提供了稳定的化学和电化学反应界面，改善了NTO的抗金属腐蚀性能；
（2）本发明利用MXenes具有良好的机械强度、导电和导热性能，有利于含能材料感度的降低，存在于NTO中的MXene在受到外界施加的作用力之后可以将所产生的热量进行传导与分散，使得NTO的感度降低；同时，MXenes具有类似手风琴形态的层状结构，在受到外部作用力刺激时容易滑动而达到很好的润滑效果，降低了NTO的感度；MXenes通过表面热量的传导分散和润滑作用，可以大幅度降低炸药的热量，实现对单质炸药NTO的进一步降感；
（3）本发明通过通过重结晶法制备MXene/NTO复合材料，制备MXene/NTO复合材料的粒径较小，撞击感度与摩擦感度降低，并且对于金属的抗腐蚀性能有了明显的改善。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是基于对比例1、实施例1和实施例3所制备的抗金属腐蚀型不敏感弹药的极化曲线；
图2是基于对比例1、实施例1和实施例3所制备的抗金属腐蚀型不敏感弹药的撞击感度及摩擦感度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药，包括如下重量百分比的组分：0~10%的层状MXene和90~100%的3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮；所述层状MXene由MAX相经氢氟酸刻蚀后得到。
为了进一步的优化技术方案，其中MAX相为Ti3AlC2、Ti2AlC或Ti3AlCN中的一种或多种混合。
本发明还提供了一种如上述抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）将质量分数≥40%的氢氟酸溶液缓慢加入至粒径≤200目的MAX相中，55~70℃进行24h刻蚀反应，刻蚀掉MAX相中的铝层，再经过滤、洗涤和干燥得到层状MXene；
MAX相和氢氟酸溶液质量体积比为1g：10mL；
（2）将上述层状MXene与纯度≥98%NTO原料溶解于无水乙醇中，在超声条件下经过蒸发结晶得到抗金属腐蚀型不敏感弹药MXene和NTO在无水乙醇中的质量百分比为5%~15%；超声功率为500W；蒸发结晶温度为60~80℃。其中MXene、所述NTO和所述无水乙醇的质量体积比为（0.1~1）g：15g：100mL。
实施例1
本发明实施例1提供了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）将2 g的Ti3AlC2加入到20 mL的49%氢氟酸溶液中在60 ℃条件下反应24 h刻蚀掉Ti3AlC2中的铝层，经过滤、洗涤和干燥得到层状MXene；
（2）将所得MXene与NTO以质量比为1:20混合得到混合物，将10g混合物在55 ℃条件下溶于100mL无水乙醇中，然后升温至65 ℃保持温度、并在超声条件(超声功率为500W)下进行蒸发结晶，待无水乙醇蒸发完全之后得到MXene/NTO复合物，即为抗金属腐蚀型不敏感弹药。
实施例2
本发明实施例2提供了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）将2 g的Ti3AlC2加入到20 mL的49%氢氟酸溶液中在60 ℃条件下反应24 h刻蚀掉Ti3AlC2中的铝层，经过滤、洗涤和干燥得到层状MXene；
（2）将所得MXene与NTO以质量比为1:15混合得到混合物，将10g混合物在55 ℃条件下溶于100mL无水乙醇中，然后升温至65 ℃保持温度、并在超声条件(超声功率为500W)下进行蒸发结晶，待无水乙醇蒸发完全之后得到MXene/NTO复合物，即为抗金属腐蚀型不敏感弹药。
实施例3
本发明实施例3提供了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）将2 g的Ti3AlC2加入到20 mL的49%氢氟酸溶液中在60 ℃条件下反应24 h刻蚀掉Ti3AlC2中的铝层，经过滤、洗涤和干燥得到层状MXene；
（2）将所得MXene与NTO以质量比为1:10混合得到混合物，将10g混合物在55 ℃条件下溶于100mL无水乙醇中，然后升温至65 ℃保持温度、并在超声条件(超声功率为500W)下进行蒸发结晶，待无水乙醇蒸发完全之后得到MXene/NTO复合物，即为抗金属腐蚀型不敏感弹药。
实施例4
本发明实施例4提供了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）将2 g的Ti3AlC2加入到20 mL的49%氢氟酸溶液中在60 ℃条件下反应24 h刻蚀掉Ti3AlC2中的铝层，经过滤、洗涤和干燥得到层状MXene；
（2）将所得MXene与NTO以质量比为1:5混合得到混合物，将10g混合物在55 ℃条件下溶于100mL无水乙醇中，然后升温至65 ℃保持温度、并在超声条件(超声功率为500W)下进行蒸发结晶，待无水乙醇蒸发完全之后得到MXene/NTO复合物，即为抗金属腐蚀型不敏感弹药。
实施例5
本发明实施例5提供了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）将2 g的Ti3AlC2加入到20 mL的49%氢氟酸溶液中在60 ℃条件下反应24 h刻蚀掉Ti3AlC2中的铝层，经过滤、洗涤和干燥得到层状MXene；
（2）将所得MXene与NTO以质量比为1:10混合得到混合物，将10g混合物在55 ℃条件下溶于100mL无水乙醇中，然后升温至65 ℃保持温度、并在超声条件(超声功率为500W)下进行蒸发结晶，待无水乙醇蒸发完全之后得到MXene/NTO复合物，即为抗金属腐蚀型不敏感弹药。
实施例6
本发明实施例6提供了一种抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）将2 g的Ti3AlCN加入到20 mL的49%氢氟酸溶液中在60 ℃条件下反应24 h刻蚀掉Ti3AlCN中的铝层，经过滤、洗涤和干燥得到层状MXene；
（2）将所得MXene与NTO以质量比为1:10混合得到混合物，将10g混合物在55 ℃条件下溶于100mL无水乙醇中，然后升温至65 ℃、并在超声条件(超声功率为500W)下进行蒸发结晶，待无水乙醇蒸发完全之后得到MXene/NTO复合物，即为抗金属腐蚀型不敏感弹药。
对比例1
本发明对比例1公开了制备重结晶NTO粉末的方法，具体包括如下步骤：
将1 g的NTO在55 ℃条件下溶于100mL无水乙醇中，然后升温至65 ℃在超声条件下进行蒸发结晶，待无水乙醇蒸发完全之后得到重结晶后的NTO粉末。
效果验证
1、取实施例1、3和对比例1制备得到的产物进行检测，采用电化学工作站CHI660得到极化曲线如图1所示；取实施例1~6制得产物采用爆炸概率法测试其撞击感度与摩擦感度如图2和表1所示。
表1实施例所得抗金属腐蚀型不敏感弹药的撞击感度与摩擦感度
| 实施例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 |
| 撞击感度（%） | 28 | 26 | 24 | 20 | 20 | 20 |
| 摩擦感度（%） | 24 | 20 | 20 | 16 | 16 | 16 |
由上述结果可以得知，对比例1制备重结晶后NTO粉末的自腐蚀电位处于低电位，表明其抗金属腐蚀性能较差；撞击感度与摩擦感度分别为32%和28%。与对比例1相比，实施例1所得MXene/NTO复合物的自腐蚀电位向高电位方向移动，抗金属腐蚀性能有所改善；撞击感度与摩擦感度分别由32%和28%降至28%和24%，使得NTO的感度降低。与对比例1相比，实施例3所得MXene/NTO复合物的自腐蚀电位进一步向高电位方向移动，抗金属腐蚀性能大幅度提高；撞击感度与摩擦感度分别由32%和28%降至24%和20%，使得NTO的感度大幅度降低。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种抗金属腐蚀型不敏感弹药，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：0~10%的层状MXene和90~100%的3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮；所述层状MXene由MAX相经氢氟酸刻蚀后得到, 将所述层状MXene与所述3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮溶解于无水乙醇中，在超声条件下经过蒸发结晶得到抗金属腐蚀型不敏感弹药。
2.根据权利要求1所述抗金属腐蚀型不敏感弹药，其特征在于，所述MAX相为Ti3AlC2、Ti2AlC或Ti3AlCN中的一种或多种混合。
3.一种如权利要求1或2所述抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）将氢氟酸溶液缓慢加入至MAX相中，进行刻蚀反应，刻蚀掉MAX相中的铝层，再经过滤、洗涤和干燥得到层状MXene；
（2）将上述层状MXene与NTO原料溶解于无水乙醇中，在超声条件下经过蒸发结晶得到抗金属腐蚀型不敏感弹药。
4.根据权利要求3所述抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述氢氟酸溶液中氢氟酸的质量分数≥40%。
5.根据权利要求4所述抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述MAX相的粒径≤200目。
6.根据权利要求5所述抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述MAX相和所述氢氟酸溶液质量体积比为1g：10mL。
7.根据权利要求5所述抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述刻蚀反应的温度为55~70℃，时间为24h。
8.根据权利要求3所述抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述NTO原料的纯度≥98%。
9.根据权利要求7所述抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述MXene、所述NTO和所述无水乙醇的质量体积比为（0.1~1）g：15g：100mL。
10.根据权利要求8所述抗金属腐蚀型不敏感弹药的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述超声的功率为500W，时间为1~2h；所述蒸发结晶温度为60~80℃。
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