摘要
与常规尺寸相比，纳米TATB具有更完全的爆炸能量释放、更小的临界直径、更快更稳定的爆轰波传播等特点。然而，传统的纳米TATB制备方法如高压超声破碎法、机械球磨法、喷雾法、高速气流碰撞法和重结晶法等，都是在宏观层面上实施的，普遍存在着生产安全性和质量一致性难以平衡的矛盾。本文通过微流控技术系统地研究了具有窄粒径分布的纳米TATB的连续安全制备工艺，并利用其优异的钝感性能分别通过水悬浮交替包覆技术和微流控界面自组装技术将其应用于HMX的高效降感。本文的主要研究内容如下: 首先，基于被动式微反应器分别通过物理重结晶法和胺化再结晶法研究了纳米TATB的连续安全制备工艺。其中，在总流速为50 ml/min，停留时间为10块微反应板，溶剂/非溶剂比例为1:3，微反应温度为30 ℃的条件下，可得到D50为131 nm的TATB。通过影响因素探究实验和 CFD 模拟结果可知: 停留时间越长，混合越充分， TATB粒径也越小；溶剂/非溶剂比例过低则混合强度较低导致粒径变大，比例过高则造成部分TATB粒子被重新溶解后析出使粒径变大；总流速过低会导致溶液混合效率过低使 TATB 粒径增大，总流速过大则由于微反应器持液量的限制造成混合效率降低，使TATB粒径同样增大；微反应器温度越低，过饱和度越高，TATB晶体更容易爆发式成核形成纳米粒子，但温度过低导致DMSO粘度增大降低了传质效率， TATB粒径随之增大。而在流速分别为溶剂10 ml/min、氨水0.8 ml/min以及水50 ml/min，温度为60 ℃，背压0.4 MPa，停留时间为10块微反应板的条件下，可将TETNB通过胺化再结晶得到109 nm的TATB。 其次，针对被动式混合器存在的“死体积”、易堵塞和难清洗等问题，设计并搭建了连续流声共振混合平台。3D-CFD模拟和流体可视化研究结果表明，连续流声共振混合平台给予了流体高强度的扰动，与上述被动式微反应器相比，消除了流体混合过程中的“死体积”，可在更短时间内达到均匀的混合效果。影响因素研究结果表明，当且仅当输出功率为6.3 W，频率为60 Hz时，可得到51 nm的类球形TATB，其D10和D90分别为33 nm和70 nm。 第三，以8%含量的纳米TATB和2%含量的F2603为包覆剂，探索了一种水悬浮交替包覆工艺并实现了HMX的高效降感，同时维持了较高的能量水平（8965 m/s， 38.4 GPa，1.91 g/cm3）。详细考察了加料方式、TATB含量、粘结剂以及其他工艺参数对TATB/HMX复合含能材料包覆效果和机械感度的影响。通过扫描电镜（SEM）发现TATB/HMX复合含能材料被TATB紧密包覆，颗粒的棱角变得圆润，晶体缺陷得到了很好的修饰。机械感度测试结果表明，TATB/HMX 复合含能材料的特性落高由16.1 cm升高至46.8 cm，摩擦感度由100%降低至0%。该工艺不仅降感效果显著，且具有钝感剂用量少、制备工艺简单易于放大生产等优点。 最后，通过微流控界面自组装技术实现了高能钝感TATB/HMX共粒子的连续安全制备。考察了溶剂/非溶剂比例、停留时间、总流速、TATB含量、温度和TATB饱和度等因素对TATB/HMX共粒子的影响。傅立叶变换红外光谱（FT-IR）测试结果表明，TATB/HMX共粒子的红外吸收峰较原料HMX发生了明显的偏移，说明TATB和HMX分子间形成了氢键作用，这为自下而上的自组装过程提供了强大的驱动力。通过SEM和X 射线衍射光谱（XRD）测试发现TATB/HMX共粒子不仅被原位生成的纳米 TATB（质量分数 10%）紧密包覆而且部分 TATB 嵌入到晶体中，由内而外对HMX晶体起到了修饰作用。得益于TATB有序分布于HMX晶体的内外，TATB/HMX共粒子的特性落高由 16.1 cm 升高至 64.6 cm 以上，较水悬浮交替包覆技术得到的TATB/HMX 复合含能材料得到了显著提升，具有良好的安全性能。爆速测试结果表明在引入10%含量的TATB后，TATB/HMX共粒子的爆速达到8337 m/s（1.7 g/cm3），达到原料HMX的98%。其可调节的组分含量可以更好地满足高能钝感炸药的需求。
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