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含醛基团的高能ZIF对七种不同的高能材料具有前所未有的“负”催化性能
研究背景
目前，国内外武器发展的主要趋势是设计耐热不敏感的高能炸药。利用一种既耐热又抗外界扰动的单一炸药化合物作为初装药已成为含能材料领域的一个重要研究热点。考虑到含能燃速催化剂提高含能材料热分解峰值温度的能力，但目前文献报道的含能燃速催化剂均为正极催化剂，即提高了被催化含能材料的热分解峰值温度。军用和民用领域对高能炸药的需求促使在耐热和不敏感的含能材料中引入了“高能负燃烧率催化剂”的概念。因此，发现了一种典型有效的催化剂(ZIF-90)。
研究方法
ZIF-90催化剂是在90℃的温度下用简单的方法制备的，持续时间为4分钟。确定了RDX、HMX、CL-20、LLM-105、LLM-126和AlH3的热解动力学模型，并探讨了ZIF-90对HMX的催化机理。最后，通过评价添加5% ZIF-90的LLM-105炸药筒的耐热性，验证了ZIF-90在炸药配方中的应用。
实验结果解析
图1. 为了探究ZIF-90对RDX、HMX、CL-20、LLM-105、LLM-126、AlH3和DAP-4热分解的负催化作用，在这7种含能物质中加入了5 wt%的ZIF-90添加剂。随后，将混合物进行30分钟的彻底研磨，以确保混合均匀。记录所得混合物的DSC曲线，温度范围从环境条件到450°C，加热速率为10°C·min - 1。通过DSC曲线分析可知，ZIF-90的加入使RDX、HMX、CL-20、LLM-105、LLM-126、AlH3和DAP-4的热解温度分别升高了6.6℃、1.7℃、1.6℃、6.4℃、1.4℃、13.1℃和7.0℃。这说明ZIF-90对上述含能材料的热解温度有明显的提高作用。
图9. 瓶1: 该样品的组成由95% LLM-105炸药和5%粘结剂组成。样品尺寸和成型比压力分别设定为20 × 30 mm和2500，并进行了温度测试，温度范围为30至500℃。
瓶2:该样品由90% LLM-105炸药，5% ZIF-90和5%粘合剂组成。所有参数和试验条件与爆炸瓶1相同。
图10. 爆炸性钢瓶1，在250℃下保持40分钟的时间内没有发生明显的反应。在50分钟时突然发生爆炸，导致弹壳弹射；炸药瓶2所有参数和试验条件与爆炸瓶1相同，在不引起任何反应的情况下保持其初始状态长达2.0 h。当温度达到320℃时，只发生燃烧反应，导致壳体仅两端破裂(测量后的爆炸瓶图像见图10b)。
实验总结
本研究发现了一种典型有效的催化剂(ZIF-90)。ZIF-90易于合成，具有较大的比表面积和规则的孔隙结构，有助于含能材料热解过程中的分子尺度变化。此外，表面醛基团的存在促进了热量的部分吸收，从而共同促进了七种不同含能材料(RDX、HMX、CL-20、LLM-105、LLM-126、AlH3和DAP-4)的热解峰温度的升高。其中，热解峰温度分别升高6.6℃、1.7℃、1.6℃、6.4℃、1.4℃、13.1℃和7.0℃。此外，高度稳定的ZIF-90作为一种本质不敏感的高能金属有机框架(EMOF)，不仅有效地降低了高能材料的灵敏度，而且确保了最小的能量损失。值得注意的是，仅加入5 wt%的ZIF-90导致llm -105基爆炸瓶的耐热性显著提高一倍以上，从而验证了ZIF-90在含能材料中的实际适用性。此外，通过固体推进剂的火焰实验，证实了ZIF-90在固体推进剂配方中的有效性。这种实用且普遍适用的高能负燃率催化剂的开发，为未来高性能、耐热、不敏感的高能材料的发展提供了一个有希望的策略。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.01.010
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.7，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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