摘要
高能量密度、高安全性和机械性能优异的聚合物黏结炸药（PBX）在国防和国民经济等领域广为使用。本文提出了一种微液滴技术（也称微液滴微流控技术、液滴微流控技术）的新策略，在微尺度下调控和制备高品质的球形PBX炸药。本文搭建适用于不同制备体系的微液滴技术制备平台，设计了核心器件——聚焦式微通道液滴芯片，研究了微尺度下流体在聚焦式微通道中液滴形成机理，优化微液滴技术制备工艺，对HMX基和TATB基PBX炸药的形貌、粒径进行调控，最后表征和分析样品的性能。本方法不仅验证了微液滴技术在制备球形PBX中的可行性和适用性，而且成功制备出具有窄粒径分布、球形形状和高品质的含能复合微球。主要内容如下： （1）微液滴技术制备HMX基高能炸药。设计流体聚焦式微通道并组装微液滴技术平台，采用Ansys fluent模拟微通道液滴形成过程，研究液滴形成机理。通过高速摄影研究了水与油的两相流量比对液滴形成的影响。采用环四甲基四硝胺（HMX）和氟橡胶（F2602）制备了HMX/F2602微球，并与传统水悬法制备的样品进行了比较，通过SEM、XRD、DSC和机械感度等测试方法，研究了样品形貌、成分、热行为、流散性和机械感度。结果表明：微液滴技术制备的微球的形貌、粒径均匀性和单分散性均优于传统的水悬浮法；与水悬液包覆样品相比，HMX/F2602的表观活化能（Ea）值增加了25.47kJ/mol；同时，与原料HMX相比，HMX/F2602微球的流散性、体积密度和安全性显著提高（HMX/F2602微球和原料HMX：休止角33.1°vs.51.3°，体积密度0.714vs.0.604g?cm-3，特征落高86.9vs.25.2cm）。 （2）微液滴技术制备TATB基不敏感炸药。研究了黏结剂含量和流量大小对TATB/F2602微球的形貌和粒径的影响。通过SEM、EDS、XRD、BET、DSC和TG等测试方法系统研究了微球样品的形貌、结构、成分和热行为。结果表明：黏结剂含量为5wt%时微球具有光滑表面、规则球形形状和高单分散性，平均圆形度为0.921（跨度为0.040）；通过调控流量比逐渐增大，微球样品D50从51.73减小到44.31μm，且粒径分布窄（跨度小于0.4）；氟橡胶（F2602）均匀分布于TATB微球内部和表面，均匀的包覆TATB颗粒使微球样品热分解延后4.08℃；与原料TATB相比，球形化过程使TATB/F2602微球的真密度增加到1.978g?cm-3。 （3）微液滴技术制备HMX/TATB基高能不敏感炸药。将HMX和TATB（10wt%）按一定比例混合，在保持高能的同时降低了炸药的机械感度，因此采用微液滴技术成功制备了HMX/TATB基高能钝感炸药。首先研究了不同种类黏结剂和黏结剂浓度对微球形貌的影响。然后研究了分散相的浓度和连续相的流量大小对微球粒径分布的影响。最后在优化工艺条件下制备了HMX/TATB基含能复合微球，并与物理混合样品进行了比较，研究样品的晶型结构、热行为、流散性、体积密度和机械感度。结果表明：采用1wt%NC/4wt%GAP复合黏结剂使微球具有规则的球形形状和良好的分散性；通过调控分散相浓度和连续相流量大小可以有效调控微球的形貌和粒径；样品HMX/TATB微球的晶型保持不变，且黏结剂与炸药保持良好的相容性；此外，HMX/TATB微球的流散性、体积密度、真实密度和特征落高显著改善（HMX/TATB微球与物理混合样品：休止角度25.7°vs.40.5°；体积密度0.729vs.0.538g·cm-3；真实密度1.925vs.1.641g·cm-3；特征落高100vs.60.9cm）。 （4）微液滴技术制备HMX/n-Al基高能含铝炸药。纳米铝（n-Al）粉的团聚严重阻碍了含铝炸药的能量释放，因此我们提出了微液滴技术制备高品质HMX/15wt%n-Al/2wt%（NC和F2604）含铝炸药的策略，系统研究了不同黏结剂对微球形貌和分散性的影响，并制备物理混合样品进行对比，通过TG、DSC、机械感度和燃烧性能等测试手段对样品进行研究。结果表明：微球样品均为规则球形，具有优异的分散性和高堆积密度；使用NC作为黏结剂具有更多优势，包括更高的圆形度、流散性（休止角度）和体积密度，分别为0.921、27.1°和0.723g·cm-3；以氟橡胶（F2604）为黏结剂，促进纳米铝的氧化，延缓HMX的分解；同时，微球结构可有效降低机械感度，使用F2604作为黏结剂可显著提高安全性能，撞击和摩擦感度分别为60J和220N；此外，与物理混合样品相比，微球样品的燃烧性能显著提高，燃烧反应更加剧烈，燃烧时间更短，这都归因于微球结构均匀以及组分间的相互作用。这些结果表明微液滴技术为高效、安全地制备高品质含铝炸药提供了一种新方法。
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