新型高能化合物CL-20的应用研究

0 引言

从20世纪90年代开始, 高能量密度化合物 (HEDC) 逐渐被各国所关注, 六硝基六氮杂异伍兹烷 (CL-20) 就是其中一种有很大应用前景的高能量化合物, 它已经实现了批量合成, 被广泛应用于各种武器装备中。从1987年美国海军武器中心的A.T.Nielsen等首次合成CL-20以来, 其合成方法得到了不断研究和改进。近期CL-20的应用受到高度关注, 全球研究高能化合物的专家对CL-20的前景均十分看好, 较之于奥克托今 (HMX) , 其在密度、爆热、爆速等方面都有所提高, 可应用于许多领域, 尤其是用于混合炸药、发射药、固体推进剂的能量提升, 以及降低特征信号方面上。

1 CL-20应用于混合炸药

ε晶型的CL-20的密度可达2.04-2.05g·cm-3, 无论是它的密度或是能量, 都是目前所研究的单质炸药中非常出色的, 是一种军用高爆猛炸药, 而且CL-20相较于HMX具有更高的能量, 是目前非常有应用前景的一种有望代替HMX的高能量密度化合物。

2 CL-20应用于发射药

CL-20因为具有很高的能量和有利的氧平衡, 被广泛应用于高能低敏感发射药。例如可以在发射药配方中添加CL-20, 使其代替部分常规氧化剂的含量, 这样一来可以使发射药的能量性能提高10%~15%。

美国对于发射药方面的研究相当重视。例如美国TACOM-ARDEC研究中心和聚硫橡胶公司合作开发了一种高能量发射药, 这是以CL-20为主要成分, 同时以含能热塑性弹性体BAMO与AMMO的共聚物为黏合剂而制备的一种新型发射药。相比较于传统的发射药是以RDX或者HMX为主, 同时采用硝化纤维为基体, 很明显, 这种新型发射药则可以提供更高的能量, 以此满足新一代的火炮需要。

3 CL-20应用于固体推进剂

火箭运行过程中需要高能物质来提供巨大动能以支持升空, 而CL-20恰恰可以满足这一点。此外, 在固体推进剂中, 加入CL-20后, 可减少HMX、高氯酸铵 (AP) 、Al的含量, 从而降低特征信号, 实现战略导弹或火箭的隐身技术。因此CL-20在提高固体推进剂能量水平的同时, 还可以广泛应用于固体推进剂的低特征信号方面的研究。

CL-20对于改性双基推进剂性能的提升也能起到很大作用。它对能量的提升较高, 但具有感度较高的特性, 为解决这一问题, 欧阳刚使用机械碾磨法制取了亚微米CL-20, 明显降低了其感度, 并且将制备得到的CL-20应用于改性双基推进剂中, 并且进行了燃烧性能的测试。得到结论:CL-20的用量对于CT-20/HTPB复合推进剂的燃速具有一定影响, 燃速会随着CL-20的量的增加而提高。

王申等探究了在NEPE固体推进剂中以CL-20代替奥克托今 (HMX) 对提高固体推进剂能量特性和降低特征信号的影响。他们发现对于铝含量≤8%的少铝体系, 用CL-20代替HMX, 固体推进剂的理论比冲可以提高近48 N·s·kg-1, 涨幅为2%;密度比冲提高了30 kg·m-2·s-1, 涨幅为6%;特征速度提高了19 m·s-1, 提高了1%。因此可以通过使用CL-20部分代替基础配方中的HMX将其应用于固体推进剂中, 这对于提高推进剂的能量水平很有大的帮助。还可以将CL-20应用于空对空导弹中以提高其速度和射程。除此之外, 他们还在Al粉含量为6%的基础上, 进一步研究了CL-20部分替代配方中的AP, 由此发现推进剂的理论比冲和特征速度都有所提高, 这一重要意义在于CL-20在固体推进剂中的应用将对百公里级的空对空导弹的性能提高有很大的帮助, 尤其是提高射程和速度方面。同时添加了CL-20的固体推进剂的燃气产物中HCl的含量也大大降低, 这意味着白色烟雾产生的可能性也随之减小;而且燃气中H2O和CO2的总含量相较于HMX少铝体系也相应减少, 这有利于减弱燃气对红外辐射的衰减。所以将CL-20应用于固体推进剂中可以缓解提高能量及其它综合性能与降低特征信号之间的矛盾。

4 CL-20的发展空间

CL-20在制备与应用过程中, 不可避免要考虑到其对生态环境的影响、人工使用的安全性和市场价格等实际性问题。不过, CL-20正是具备合理解决这些问题的能力, 才有如此大的发展空间。CL-20在提供能量方面上已经超过了目前使用最广的HMX, 燃速近其2倍, 总输出方面比其高出8%-10%。它与HMX的制备过程大体相似, 并不会带来巨大的污染问题。当其代替AP作为推进剂成分时, 还会减少氯化氢的排放。除此之外它还有相当好的相容性与加工性, 这些特性为CL-20应用于军事带来了很大优势。CL-20已经达到了军事产业化的各种条件, 在各种同类化合物中其性能都是无与伦比的, 且最接近用于生产实践的。CL-20具有广阔的应用前景和研究价值, 对于它的后续研究将集中在降低机械感度以及生产成本等方面。

摘要：CL-20是一种具有高能量特性的新型化合物, 它表现为笼状结构, 分子式为C6H6N12O12, 其分子上存在6个硝基。常温常压下, 在它的四种晶型α-、β-、γ-及ε-晶型中, ε-晶型为白色晶体, 密度最大, 最有实用价值。目前, CL-20应用于武器方面还在探索过程中, 但对其各方面性能测试已初现端倪。本文简述了近年来CL-20在国内的应用研究与发展, 例如CL-20应用于混合炸药、发射药、高性能固体推进剂中的部分成果。目前CL-20的发展正向着军用规模化生产的方向进行, 有些已达到武器使用水平。

关键词：CL-20,混合炸药,发射药,固体推进剂

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