X射线调控RDX等典型火炸药性能及感度新方法

x射线调控rdx等典型火炸药性能及感度新方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于x射线对火炸药的爆轰性能和感度快速调控的方法，属于火炸药性能和感度的调控领域。


背景技术：

2.随着新型火炸药不断发展，很多新炸药在具备高性能的同时也具备较高的感度。而感度的有效调控对于火炸药的安全生产、配方优化、规模量产至关重要，是目前弹药领域亟需解决的重大问题。另外，爆轰性能的调控在弹药销毁等领域也具有重要的作用。
3.一般可以通过包覆、掺杂、共结晶和结晶等多种方式对火炸药的晶体改性，进而实现火炸药性能的调节，但过程复杂且不确定因素多。而通过辐照手段直接作用于火炸药，从原子、分子、晶体结构、孔隙裂纹的调节等微观角度实现感度和爆轰性能的调控，在特定辐照条件下，能够快速调控感度和爆轰性能，是一种有效调控火炸药感度和性能的新方法。
4.火炸药对不同能量的x射线具有一定选择性吸收能力，而x射线可以使火炸药除热效应外发生电子电离并重排，从而导致内部结构或分子形式发生变化，在特定情况下诱导火炸药性能和感度快速变化。实验表明，x射线辐射会造成火炸药的晶体结构明显损伤，对于有机粘结剂的炸药装药更具破坏性。且对火炸药的安定性、热稳定性、敏感性等性能都有一定的影响。因此是一种调控火炸药爆炸性能和感度的潜在有效手段。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于x射线调控rdx等典型火炸药性能及感度新方法，对于x射线辐照后的rdx进行表面形貌，内部结构，分子结构，晶型和表面元素分析表征，同时，基于激光诱导等离子体光谱的火炸药爆轰性能及多感度快速检测系统对x射线辐照后rdx等火炸药的感度和性能进行微量快速高精度的检测。该方法能够为新弹药研发、工艺优化、销毁破拆等领域提供弹药性能和感度快速调控的手段，有效提升弹药研究以及生产的安全性。
6.本发明是通过以下技术方案实现的。
7.本发明提供了一种调控rdx等典型火炸药性能及感度新方法，以及探索出了一些可行的表征手段。
8.x射线调控rdx等典型火炸药性能及感度方法,包括以下步骤：
9.(1)每次实验取一定量的火炸药放置于样品台上的真空腔内进行不同时间的白光x射线辐照，根据需要，真空腔内气体环境和压强可变。
10.对辐照后的火炸药进行收集，保证收集的火炸药均在辐照区域内。
11.(2)对辐照后的火炸药进行sem表征，观察火炸药的晶体结构和表面状态。
12.(3)进一步地，对辐照后的火炸药的分子结构进行确认，在同一实验条件下对不同辐照时间的火炸药和标准的火炸药进行拉曼光谱采集，统计并分析拉曼特征峰，进一步分析同原子的非极性键振动是否发生变化，以及是否有新的峰出现。
13.(4)进一步地，对辐照后的火炸药的分子结构进行确认，在同一实验条件下对不同辐照时间的火炸药和标准的火炸药进行红外光谱atr模式采集，分析其特征吸收峰，进一步分析不同原子的极性键振动是否发生变化，以及是否有新的峰出现。
14.(5)进一步地，为了确定分子结构和晶形，取辐照后的火炸药与标准的火炸药进行x射线衍射测试，进行衍射峰的分析。观察火炸药的特征峰峰位，半高宽以及相对强度，来确定火炸药的晶体形态是否发生变化。
15.(6)为了进一步确定x射线辐照后的生成物类别。采用x射线光电子能谱仪对样品进行化学态和电子态的分析。xps能谱的结合能用c1s区域284.8ev处的峰(c
–
c/c
–
h)进行校准，并进行背景扣除和分峰拟合，进而得到火炸药元素的价态结构。
16.(7)最终为确定火炸药的感度和性能是否发生变化，基于激光诱导等离子体光谱的火炸药爆轰性能及多感度快速检测系统对火炸药“五爆四感”参数检测。
17.参照以上的步骤(1)对火炸药进行x射线的辐照和收集，参照步骤(2-6)对辐照前后的火炸药进行表面形貌，内部结构，分子结构，晶型和表面元素分析表征，分析表征结果，得到火炸药在x射线作用后晶体形态和分子结构的变化，参照步骤(7)实现x射线辐照后火炸药感度和性能快速检测，得到x射线辐照后火炸药的静电感度值以及爆速和爆压。
18.第二方面，本发明提供实验室可用的简易聚焦x射线辐照系统。包括电压、电流、焦斑尺寸可调的x射线源，可聚焦x射线的毛细管，三维可调的样品台以及可抽真空的真空腔。
19.其中，所述的x射线源功率在3200w内可调，产生的x射线可以直接作用在火炸药上进行辐照，也可以使用毛细管聚焦x射线，提高功率密度，减小辐照时间。其中毛细管聚焦的焦斑尺寸是可调的。
20.有益效果
21.1、本发明是通过x射线直接作用于火炸药，通过从原子、分子、晶体结构、孔隙裂纹的调节等微观角度实现感度的调控。
22.2、本发明搭建的x射线辐照系统，是可以实现辐照焦斑直径在3mm-6cm可调，可选择不同功率密度的x射线进行火炸药感度和性能的调控。
23.3、本发明在新弹药研发、工艺优化、销毁破拆等领域提供一种快速调控弹药性能和感度的方法，有效提升国内火炸药研究和生产的安全性，具有较好的应用前景。
附图说明
24.图1为x射线辐照装置示意图，1为铅房，2为x射线光管，3为多毛细管x光透镜，4为可抽真空的真空腔，5为三维移动的样品台；
25.图2是标准rdx与x射线辐照180min的rdx的sem图像；
26.图3是标准rdx与x射线辐照180min的rdx的拉曼光谱；
27.图4是标准rdx与x射线辐照180min的rdx的红外光谱；
28.图5是标准rdx与x射线辐照180min的rdx的xrd衍射光谱；
29.图6是标准rdx与x射线辐照180min的rdx的xps能谱；
30.图7是预测辐照180min后爆速线性回归模型图；
31.图8是预测辐照180min后静电感度线性回归模型图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
33.实施x射线对rdx辐照180min，实验环境为一个大气压的空气环境。
34.每次实验取50mg的rdx包于1cm
×
1cm，厚20um的单层铝箔内，对rdx进行180min的白光x射线辐照。
35.对辐照后的rdx进行收集，用剪刀裁剪掉单层铝箔1cm
×
1cm辐照的外围区域，然后对单层铝箔1cm
×
1cm区域内的rdx进行收集，保证收集的rdx都是被x射线均匀辐照过，未有未辐照的rdx掺杂。
36.(1)收集辐照后的rdx进行sem表征。
37.采用日立su8000系列超高分辨率场发射扫描电镜su8020，电子束加速电压2kv，对样品放大2000，5000，10000倍进行表面形貌的观察。标准rdx与x射线辐照180min的rdx的sem图像如图2所示。
38.标准的rdx呈椭圆形，大部分rdx粒径小于20μm，晶粒表面和内部无孔隙和裂纹，外表光滑。辐照180min后，rdx团簇堆积显著，团簇超过100μm。此时，rdx表面突起增加，甚至出现了rdx晶粒断裂的情况，rdx晶体表面和内部都有大量孔洞和裂纹出现。孔洞的出现，也证明有气体产生，孔隙的大小与气体产生的速率有关。
39.(2)进一步对辐照后的rdx的分子结构进行确认，采用实验室搭建的共聚焦拉曼系统，在同一实验条件下对不同辐照时间的rdx进行拉曼光谱采集，激光器波长为532nm，功率21.7mw，积分时间6s，扫描范围:400～1700cm-1
。
40.进一步为保证光谱的准确性，取标准rdx和辐照180min后的rdx各3mg，便于拉曼光谱的定量分析。
41.进一步优化，为了避免实验误差，选取4个不同位点的拉曼光谱进行统计平均。
42.进一步数据处理，利用ngslabspec软件对拉曼光谱中的宇宙射线进行消除。
43.对相同步骤处理后的4个拉曼光谱进行平均，统计分析拉曼光谱的特征峰，如图3所示。
44.在1045cm-1
处观察到新峰的出现。标准的α-rdx在1031cm-1
处为c-n键的伸缩峰，但是辐照180min后，1031cm-1
处的峰开始劈裂为1031cm-1
和1045cm-1
两个峰，判断rdx发生了相变，变为β-rdx。
45.(3)对x射线辐照180min前后的rdx进行红外光谱表征，确定在x射线的辐照下是否有化学键的断裂和生成。
46.采用美国尼高力公司is10 ft-ir spectrometer对不同辐照时间的rdx进行atr模式的红外表征。波数范围是400-4000cm-1
，光谱仪分辨率4cm-1
,信躁比是50000:1，扫描32次。
47.为了保证光谱的准确性，取标准rdx和辐照180min后的rdx各5mg，便于红外光谱的定量分析如图4所示。
48.辐照180min后，红外光谱在1680cm-1
处有新的峰出现，表明该峰为c＝o，并且随着辐照时间的增加，c＝o双键的峰强逐渐增加。
49.(4)为了确定样品分子结构和晶型，采用在d8 advance x射线衍射仪对辐照后的
rdx晶体进行衍射分析。使用cu-ka特征谱线作为x射线源(λ＝0.15418nm)，电压和电流为40kv，40ma，将样品放在一个玻璃样品架上，以3
°
/min从5-50
°
进行扫描。
50.为了保证光谱的准确性，取标准rdx和辐照180min后的rdx各40mg，便于x射线衍射光谱的定量分析，如图5所示。
51.与标准的rdx相比，辐照后的rdx样品具有大致相同的衍射峰位置，表明样品的晶体结构在整个辐照过程中没有显著发生变化，表明rdx六元环的框架结构还存在。
52.(5)为了进一步确定x射线辐照后生成物的类别。采用thermo scientific escalab 250xi光电子能谱仪对样品进行化学态和电子态的分析。
53.xps能谱的结合能用c1s区域284.8ev处的峰(c
–
c/c
–
h)进行校准。
54.使用xpspeak4.1软件中的shirley方法对能谱进行背景的去除。
55.辐照前标准的rdx的c(1s)谱由两个组分组成，如图6(a)所示。最低的结合能的峰c-c(c-h)(248.8ev，用于结合能的校准)，剩余的成分287.79ev归因于rdx中的碳，即n-c-n。
56.在对rdx进行照射后，会产生新的峰，如图6(d)所示，这些新的碳峰相对于rdx碳峰出现在更高和更低的结合能上。转移到较低结合能的峰通常表示还原性更强的化学状态，而那些转移到较高结合能的峰表示氧化性更强的化学状态。
57.辐照前标准的rdx的n(1s)谱由两个组分组成，如图6(b)所示，401.47ev处结合能的峰为六元环上c-n单键的峰，407.07ev处为与六元环相连的-no2的峰。
58.在rdx分子结构中，元素氮具有两种摩尔比相等的化学状态。因此，理论上c-n和-no2峰的强度几乎相同。
59.辐照180min后，407.07ev处的-no2峰显著下降，c-n峰有变宽的趋势，并在401.47ev处向低结合能方向移动，如图6(e)所示。
60.以上分析表明rdx表面的化学结构会受到x射线辐照的显著影响，而x射线会导致硝基化学转化。
61.辐照前标准rdx的o(1s)谱由一个组分组成，如图6(c)所示，由于-no2中的氧而出现单个宽峰，结合能为533.33ev。
62.在辐照时，较低结合能组分的形成表明存在还原氧。氧的还原表明氧与碳的反应，有较低氧化态的形成，如图6(f)所示
63.基于激光诱导等离子体光谱的火炸药爆轰性能及多感度快速检测系统对火炸药“五爆四感”参数检测。图7和图8分别为爆速线性回归模型和静电感度线性回归模型，所预测x射线辐照后rdx静电感度如表1所示，爆速和爆压分别如表2和表3所示。
64.表1
[0065][0066]
表2
[0067][0068][0069]
表3
[0070][0071]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.x射线调控rdx等典型火炸药性能及感度新方法，其特征及所述方法包括以下步骤：(1)每次实验取一定量的火炸药放置于样品台进行不同时间的白光x射线辐照。所述x射线源功率在3200w内可调，同时，也可使用毛细管聚焦x射线，提高功率密度，减小辐照时间，其中毛细管聚焦的焦斑直径在3mm-6cm可调。(2)对辐照后的火炸药进行收集，保证收集的火炸药均在辐照区域内。(3)对辐照后的火炸药进行sem表征，观察火炸药的晶体结构和表面状态。(4)对辐照后的火炸药分子结构进行确认，在同一实验条件下对不同辐照时间的火炸药和标准火炸药进行多次拉曼光谱采集，统计并分析拉曼特征峰。(5)在同一实验条件下对不同辐照时间的火炸药和标准火炸药进行红外光谱采集，分析其特征吸收峰，进一步分析不同原子的极性键振动是否发生变化，以及是否有新的吸收峰出现。(6)为确定辐照前后的分子结构和晶形是否发生变化，对辐照后的火炸药与标准火炸药进行xrd。(7)测试分析其衍射峰。为确定x射线辐照后生成物的类别。采用xps对样品进行化学态和电子态的分析。进而得到火炸药中元素的价态结构。(8)为确定火炸药的感度和爆轰性能的变化，基于激光诱导等离子体光谱的火炸药爆轰性能及多感度快速检测系统对火炸药“五爆四感”参数检测。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2所收集辐照后的火炸药必须是均匀辐照过的，不能有未辐照的掺杂。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3所测得拉曼光谱必须是相同质量的粉末，铺平在载破片上进行拉曼光谱采集。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4所测得红外光谱必须是相同质量的粉末，用atr模式采集红外光谱。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5所测得x射线衍射光谱必须是相同质量的粉末。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤8对辐照后的火炸药进行静电感度，爆速和爆压的预测，需要用已知的单质火炸药进行定标和建模。

技术总结
本发明涉及一种基于X射线对火炸药的性能和感度快速调控的方法，属于火炸药性能和感度调控领域。对火炸药进行不同时间的X射线辐照，使火炸药的化学键发生不同程度的断裂，从而导致火炸药内部结构或分子形式发生变化，在特定条件下诱导火炸药性能和感度快速变化。利用扫描电子显微镜(SEM)，拉曼光谱(Raman Spectra)，傅里叶红外光谱(Fourier Transform infrared spectroscopy,FT-IR)，X射线衍射(XRD)，X射线光电子能谱(XPS)对辐照前后的火炸药进行晶体结构，晶体形态以及分子结构表征。同时，基于激光诱导等离子体光谱的火炸药爆轰性能和多感度快速检测系统对辐照前后的火炸药感度和爆轰性能进行预测。表征和预测结果均表明X射线能够实现火炸药感度和爆轰性能的快速调控。的快速调控。的快速调控。


技术研发人员：刘瑞斌 张颖 夏敏 李安 杨威 姚裕贵 杨帆致 郭伟 甘强 柳彦博 张新宇 任耶平 钟林
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/8/31