增强CL-20安全性：碳纳米材料辅助热导率降低撞击感度

摘要

本研究将还原氧化石墨烯（rGO）和碳纳米管（CNT）作为导电填料掺入CL-20复合材料以提升热导率。扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）显示，当rGO和CNT按1 wt%复合时形成均匀三维导热网络。差示扫描量热法（DSC）、静电测试、特征落高测试、热扩散率和爆轰速度实验表明，协同填料不仅增强传热，还显著降低撞击感度，同时保持炸药能量性能。

研究背景

CL-20（2,4,6,8,10,12-六硝基-2,4,6,8,10,12-六氮杂异武兹烷）相比RDX和HMX等传统炸药具有更高密度和能量密度。但其高感度源于差的热导率，在快速温度波动下易形成热点，危及武器系统可靠性。解决这一局限对安全、高性能应用至关重要。

聚合物涂层和石墨填料长期用于改善高能晶体的力学和热稳健性。近年共识倾向于使用碳基纳米填料——石墨烯纳米片、CNTs等——在聚合物复合材料中构建高效热传导路径。这些纳米材料拥有卓越平面内热导率和高长径比，能形成连续、低热阻的传热网络。

石烯二维晶格虽提供大声子平均自由程和高电子迁移率，但层间范德华相互作用常阻碍跨平面热流。相比之下，CNTs提供一维桥接，可连接石墨烯片层和炸药颗粒，降低界面热阻并形成三维网络。因此，rGO与CNT协同复合有望提供更优热导率，进而降低撞击感度。

本工作探讨rGO和CNT在CL-20复合材料中的协同效应，表征微观结构、热行为、感度和爆轰性能，阐明传热机制。

方法

纳米级CL-20/碳材料复合材料合成

CL-20复合材料通过水悬浮法制备（图1）。Estane（3 wt%于1,2-二氯乙烷）作为粘结基体。rGO、CNT或rGO:CNT 2:1混合物（SWCNT）经超声分散于粘结剂溶液。另取20 g球磨CL-20悬浮于200 mL去离子水中磁力搅拌。缓慢将粘结剂溶液加入CL-20悬浮液，70°C、0.02 MPa加热除溶剂。冷却后过滤、洗涤、真空蒸发得最终产物。样品标记为CL-20/Estane (1)、CL-20/rGO (2)、CL-20/CNT (3)、CL-20/rGO+CNT (4)。

表征

SEM（SU-8020，日立）表征表面形貌和颗粒尺寸分布。XRD（DX-2700，丹东浩源）用Cu-Kα辐射（40 kV，30 mA）分析晶体结构。DSC（DSC-131，Setaram）氮气流（30 mL min⁻¹）下，5–20 K min⁻¹升温速率评估热分解。静电积累通过滑槽摩擦诱导、数字电表记录电荷；单位质量电荷量化静电积累。撞击感度按GJB 772A-97（12号落锤法）测定50%概率高度（H₅₀）。热扩散率经激光闪光法测10 mm×2 mm圆片，按标准公式计算热导率（k）。爆轰速度用飞行时间探针测量，理论值用EXPLO5计算。

结果与讨论

微观结构特征

SEM图像（图2）显示原始CL-20为~300 µm纺锤颗粒（2a）。球磨将尺寸减至~200 nm（2b）。rGO片层（~2 µm，五层）与CNTs形成咬合组装（2c）。CL-20/CNT复合材料中CNTs易团聚，损害传热（2d,e）。相反，rGO+CNT混合体系显示均匀分散、无明显团聚（2f），表明有效协同。

XRD图谱（图3）确认所有样品为ε相，峰位置不变但强度降低、峰展宽，因纳米填料包覆和颗粒尺寸效应。

热分析

DSC曲线（图4）显示原始CL-20在242 °C有放热峰，特征爆炸分解。包覆样品峰形相似但rGO+CNT混合体系峰位移~2 °C，指示更好相容性。所有复合材料分解起始温度提前提示纳米填料催化活性。CNT加入使分解焓从-2384.95降至-779.82 J g⁻¹，可能降低爆热；rGO调节此效应，得平衡值-1897.80 J g⁻¹。故CNT含量须严格控制以保持能量输出。

感度分析

撞击感度以H₅₀量化，从原始CL-20的17.3 cm大幅提升至样品2、3、4的65.8、50.3、68.7 cm。rGO和CNT形成的致密导热涂层抑制热点生成、高效耗散机械能，降低感度。静电测试（图6）确认所有复合材料电荷积累减少，rGO+CNT混合体系最低，归因于CNT电荷耗散能力。

热导率分析

25°C测得原始CL-20热导率0.143 W m⁻¹ K⁻¹。1 wt% rGO+CNT包覆将热导率提升至0.64 W m⁻¹ K⁻¹——为基线4.5倍——而单独rGO或CNT增益较小。rGO和CNT的高本征导热率结合界面协同效应，建立连续三维传热网络，最小化层间热阻。示意图（图7）展示CNTs桥接rGO片层和CL-20颗粒，创建大量声子路径并最大化表面接触。