有公众号在4月1日发表了《中山大学陈小明院士获广东科技最高奖,力推新材料转化为“国产”最强炸药》一文。从文章给出的DOI可以阅览Molecular perovskite high-energetic materials这篇文献,作者团队从钙钛矿类分子获得启发,合成了数种ABX3类含能材料。其中A为二价的氮杂环有机碱,B为一价碱金属离子或铵根离子,X为含能阴离子基团。从分子组成上这类材料类似于南理工发明的SY共晶起爆药,两种盐类形成共晶来弥补易吸湿、感度高、溶解度大等缺陷。ABX3类材料中阴离子与金属离子形成了三维的立方骨架结构,内部则填充有机碱离子。这种结构使氧化剂与可燃剂接触的极为紧密,为二者间的反应带来了快速性。
论文中涉及的材料较多,本文仅针对铵根阳离子、三乙烯二胺(TEDA)阳离子和高氯酸根阴离子这一组合进行合成、测试与探讨。
一、制备
1.1 试验用主要原材料与仪器
无水乙醇,含量99.8%,分析纯;高氯酸,70~72%,分析纯;TEDA,含量98%,工业品;高氯酸铵(AP),自制;电子天平,精度值0.01g;数显多功能磁力搅拌器。
1.2 合成
量取6.72 g TEDA于烧杯中,加入15 ml水,混合物出现少量放热。称取17.22 g高氯酸,缓慢滴加进TEDA溶液中,水浴冷却注意控制反应液温度不超过50℃。同时称量7.05 g AP,加入30 ml水中,加热溶解。加热AP溶液至50℃,保温备用。开启数显多功能磁力搅拌器,将TEDA与高氯酸反应后的溶液加热至50℃。在保持搅拌下,将AP溶液在1 min内滴加入TEDAP溶液中。在滴加AP溶液瞬间就出现沉淀,反应速率较快,因此滴加完后保持搅拌冷却至室温后即可过滤。使用无水乙醇淋洗产物3次,60℃鼓风干燥至恒重。得到产物24.97 g,得率96.67%。
图1 左上:反应液加热 右上:滴加AP后生成沉淀
左下:蒸干滤液出现少量残渣 右下:TEDA与高氯酸反应完冷却后生成的TEDAP沉淀
3、分析
取少量滤液加热后,烧杯中残留有少量白色固体,点燃发生猛烈喷射状燃烧,判断为目标化合物。
取过滤用滤纸点燃,局部出现激烈喷射状火焰,燃烧后碳化残渣较少。表明滤纸上有部分目标产物残留,但含量较低。
取少量产物以报纸包裹起来点燃,受报纸约束发生激烈燃烧,伴随有爆燃声。以相同方式点燃EDDP,对比发现产物的燃烧和爆燃声更为剧烈,推测目标化合物可作为起爆药使用。。
图2 用报纸包裹的简易药卷
EDDP.mp4
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EDDP的燃烧
SA.mp4
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目标产物的燃烧
取少量产物晶体置于160x显微镜下观察,产物绝大部分为近正方形晶体,大小较均一。无柱状、针状、簇集的片状等易引起感度升高的晶形。
图3 晶体图片
三、性能测试
3.1 使用(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]作为起爆药的验证
使用钢丝作为电热丝,手工制作电引火头。使用外径4.5 mm,壁厚0.8 mm的笔芯作为壳体,手工压装0.1 g的(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]作为主装药,松装0.03 g(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]作为引火药。用报纸简单固定壳体两端进行封装。
将该验证装置以胶带固定于包装纸板上,用起爆器起爆。验证板上留下略大于装药长度的圆形穿孔,装置发生爆轰。
图4 电力起爆装置与验证板
以0.3 g的(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]作为起爆药,EDDP作主装药,测试4次,4次均在验证板上留下爆坑。
该项实验表明:(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]在小直径、弱约束、无加强帽条件下可以使用电热桥丝引爆。且作为起爆药使用时较为可靠,5次实验未出现不传火、拒爆、半爆等现象。
3.2 爆速测量
药柱外壳使用DN20×en3.4的ppr管,具体尺寸为外径20 mm,壁厚3.4 mm,内径13.2 mm。压药时外套DN20镀锌钢管,钢管内径21.3 mm。外套钢管以防ppr管在压力下过度膨胀或出现偏移。
ppr管长70 mm,在距底端20 mm与距顶端20 mm部位分别钻孔作为探针测量点,测量间距30 mm,药柱长65 mm,平均密度为1.71 g/cm3。
使用胶带固定一发8#雷管于药柱顶端,起爆后测得探针导通间隔7.6 μs,即爆速3947 m/s。
图5 药柱制作与爆速测量结果
3.3 误差分析
1、为方便ppr管与镀锌钢管分离,二者间有1 mm左右不耦合直径差。压药压力过大,ppr管存在径向膨胀,导致退模时较为困难。而1.71 g/cm3是以壳体不膨胀为假设测量的值,实际上装药密度要小于1.71 g/cm3。
2、探针孔孔径约为1 mm,而探针使用0.2 mm的双股漆包线制成,因此存在约1 mm的探针间距误差。
3、因此本次测量爆速应为密度小于1.71 g/cm3时,爆速3947±132 m/s。
四、仿真计算
论文中给出(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]密度为1.87 g/cm3,生成焓则高达1904.2 kJ/mol。代入含氟、氯版本的康姆莱特-雅各布斯(Kamlet-Jacobs)方程,结晶密度下爆速10374 m/s,爆压48.84 GPa,爆热11336.9 kJ/kg。密度1.71 g/cm3时爆速9745 m/s。
仿真计算与测试相差极大猜测有以下几种原因:
1、文献数据有误导致仿真计算结果不准确。
2、测量误差。
3、制作测量爆速的药柱时参考了EDDP的爆速测量试验,第一组探针距起爆端20 mm。这个距离对(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]的爆速成长至最大稳定爆速过短。
4、直径过小,没有达到极限直径。
5、由于共晶中含有AP,在较高密度下爆速反而会出现下降,类似于高氯酸胍。加入AP后爆速不升反降这种现象在硝酸肼液体炸药中也被同样被观察到。
五、结语
钙钛矿型化合物是一种立方高对称结构的材料,类似于金属有机框架材料拥有3D空间构型。TEDAP与AP形成共晶后同SY一样,比单组份的原料吸湿性、水中溶解度、机械感度大幅下降。进行了两次合成实验,第一次得率97.43%,第二次得率96.67%。完全干燥的样品置于开放环境中未观察到可见的吸湿现象。论文中给出了(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]的分解温度为365℃;撞击感度为23 J大于TNT的15 J;摩擦感度36 N,远大于RDX的120 N,但仍低于高氯酸碳酰肼、高氯酸氨基四唑等高氯酸盐类。
(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]具有高得率、低吸湿性、低感度、易DDT等优点。跟SY相比,使用AP替代了EDDP,降低了生产成本的同时改善了氧平衡。若是能有良好的起爆能力和较好的材料相容性,可以说它在起爆药领域会有广阔的应用前景。
六、以下为对论文报导的质疑部分
一方面鄙人才疏学浅,二是缺乏可靠地实验仪器。因此对于怀有有异议的人士,欢迎前来质疑。
以下分析仅针对能量及爆轰性能,不涉及其它方面数据。
6.1 简化模型
在NIST数据库中可查找到TEDA的生成焓,取高值28.2 kJ/mol;高氯酸生成焓为-127.4 kJ/mol;AP生成焓为-296 kJ/mol。在反应时,释放出大量中和热,因此TEDAP生成焓要低于把二者生成焓简单相加的数值,即小于-226.6 kJ/mol。由于使用gaussian进行量子化学计算极为耗时,且精度欠佳,因此后续分析使用-226.6 kJ/mol这一数值简化过程,但应指出的是,实际上要小于这一数值。
在(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]的合成中,TEDAP与AP的溶液均被加热至50℃。简化反应为绝热过程,因此测量反应前后溶液的温度就能判断体系是否吸收了能量。
6.2 实验验证
在TEDAP溶液中滴加AP溶液,加料过程中有沉淀迅速出现,滴加完毕后反应液温度从50℃升高至62℃,此时烧杯底部附近的加热板温度仅有43~45℃,排除磁力搅拌器加热反应液的可能性。说明这一共晶过程是放热的,产物并没有从环境中吸收能量提高生成焓。
6.3 分析
在经历TEDAP的化合放热、(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]的共晶放热后。该材料的生成焓要低于简单把TEDAP与AP的生成焓相加的-522.6 kJ/mol。而文献所给出的生成焓却高达1904.2 kJ/mol,中间相差的巨大能量从何而来?这不是分子形成三维立体框架结构就能解释清楚的。论文中使用的数据来源于测试的燃烧热,然而同一个团队的专利中隐含有不同的信息。
在专利CN201710758276中,(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]在364℃分解放出5177 J/g的热量。使用的DSC与TGA的数据收集均为氮气气氛,扫描速度5℃/min。文中分析TGA曲线时给出了样品在370℃发生爆炸这一描述,但观察TGA曲线可以看到在爆炸波峰前出现了热分解导致重量损失的波谷,两个曲线的温度区间高度重合。可以判断5177 J/g的热量是由热分解与爆炸两个部分组成的,又由于处在氮气环境中不存在接触氧气燃烧,因此在数值上接近爆热。将-522.6 kJ/mol作为生成焓遵循盖斯定律和B-K规则,计算爆热为5699.9 J/g,大于5177这一数值,这与之前的假设和分析一致。
图6 TGA与DSC曲线
6.4 结论
从现有的实验过程看,该材料无法达到论文宣称的生成焓,因此依托该生成焓计算得到的爆轰数据也不具有可靠性。(C6H14N2)[NH4(ClO4)3]这一材料的爆热介于5177~5699.9 kJ/kg。5177 kJ/kg这一数值包含了热分解与爆炸两部分,且不含产物水蒸气的相变热。