나노물질
산업 제조
그래핀(rGO)과 탄소나노튜브(CNT)는 전도성 필러로 CL-20 기반 복합재료의 열전도도를 높이기 위해 채택됐다. 주사 전자 현미경(SEM) 및 X선 회절(XRD)을 사용하여 미세 구조 특성을 특성화하고 시차 주사 열량계(DSC), 정전기 축적, 특수 높이, 열전도도 및 폭발 속도를 사용하여 특성을 테스트했습니다. 결과는 rGO와 CNT의 혼합물이 동일한 하중(1wt%)하에서 rGO 또는 CNT 단독보다 열전도율에 더 좋은 영향을 미치고 3차원 열전도 네트워크 구조를 형성하여 시스템의 열 특성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. . 또한 선형 맞춤은 CL-20 기반 복합 재료의 열전도율이 충격 감도와 음의 상관 관계가 있음을 증명했으며, 이는 열전도율이 증가한 후 충격 감도가 크게 감소하고 폭발물이 여전히 더 나은 에너지를 유지했음을 설명합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">CL-20(2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitane) 기반 합성물은 RDX 및 HMX와 같은 다양한 폭발성 화합물을 대체하여 높은 밀도와 에너지의 우수한 특성 때문에 성능 폭발. 그러나 열적 특성이 좋지 않아 급격한 고온·저온 변화를 겪은 후에는 신속하게 전파되지 못하며, 이는 "핫스팟"을 형성하기 쉽고 무기체계의 안전성과 신뢰성을 심각하게 위협한다[1,2,3,4 ,5,6,7]. 따라서 열전도율을 효과적으로 개선하고 충격 민감도를 줄이는 것이 매우 중요합니다.
CL-20 기반 복합재료에서 폴리머 코팅은 폭발성 결정의 기계적 및 내열성을 향상시키는 데 효율적이고 경제적인 역할을 하며, 흑연은 복합재료에 사용되는 유용한 성분이다[5, 6]. 이제 열전도성 필러, 특히 열전도율이 높은 탄소 기반 나노 물질을 추가하여 고분자 복합 재료의 열전도율을 높이는 데 합의했습니다. 그는 외. 2차원 그래핀 나노판(GNP)과 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 PBX의 열전도율을 높였으며, 1wt%의 GNP 함량에서 열적 특성이 우수함을 발견했습니다[7,8,9]. Nika et al. Klmens 프레임워크에서 그래핀 격자 열전도율의 간단한 모델을 제안했으며 열전도율이 그래핀 플레이크의 선형 치수가 증가함에 따라 증가한다는 것을 발견했습니다[10]. Lee et al. CNT와 GNP의 표면 개질을 불소화하고 혼합하여 그물망 구조를 형성함으로써 에폭시 수지의 열 안정성을 향상시켰고, 이러한 상승작용은 분산액과의 계면 결합을 향상시킬 수 있다[11]; Yu et al. GNP와 SWNT 사이에 에폭시 수지 복합재료의 열전도도 향상에 시너지 효과가 있음을 발견했습니다[12]. 및 Li et al. 또한 CNT와 GNP의 이러한 시너지 효과는 CFRP 표면 저항을 1000배 정도 감소시키고 열전도율을 7배 이상 증가시킬 수 있다고 소개했습니다[13].
그래핀은 큰 π - 큰 포논 평균 자유 경로와 높은 전자 이동도를 갖는 공액 2차원 구조는 넓은 접촉 영역을 제공하고 포논 수송을 위한 2차원 경로를 제공합니다[14]. 그러나 그래핀 층 사이의 반데르발스 힘은 큰 층간 열저항으로 이어지므로 면 방향에 수직인 열전도율은 면내 열전도율보다 현저히 낮고 rGO의 분포가 복잡하고 때로는 동일한 평면에 전도 경로를 형성하기 어렵습니다[15]. 관형 구조의 1차원 재료로서 CNT의 높은 열전도율과 높은 종횡비는 고분자 복합 재료의 열 전달을 향상시키는 데 도움이되며 가장 중요한 것은 CNT가 포논 수송을 위한 더 많은 경로를 제공하고 rGO를 연결할 수 있다는 것입니다. 및 폭발물 [16]. 따라서 열전달 성능을 향상시키기 위해 rGO와 CNT를 결합하여 열 계면 저항을 감소시키면서 고분자 매트릭스와의 계면을 증가시키고 인접한 rGO를 1차원 CNT와 브리징하여 3차원 열전도 네트워크를 형성하는 것으로 간주됩니다. 복합 재료 [8].
따라서 본 연구에서는 rGO와 CNT를 CL-20 기반 복합재료의 충전제로 함께 사용하여 낮은 열전도율을 개선하고 SEM, XRD, DSC 등에 의해 조사했습니다. 또한 열 전달 메커니즘과 열전도율과 충격 민감도 간의 관계에 대해 자세히 설명합니다.
CL-20 기반 복합재료는 물 현탁법[17, 18]을 사용하여 제조되었으며 구체적인 실험 과정은 그림 1에 나와 있습니다. 먼저 Estane(Lu Borun Specialty Chemical Manufacturing Company Ltd.에서 구매)을 1에 첨가했습니다. , 2-디클로로에탄(Shun Long Chemical Company Ltd.에서 구입)을 사용하여 3wt% 농도의 용액을 형성했습니다. 한편, 탄소 재료[rGO, CNT, 또는 rGO + CNT(rGO, CNT 및 이들의 혼합물(rGO:CNT =2:1, SWCNT)는 Jiangsu Hengqiu Graphite Technology Company Ltd.에서 제공)]에 균일하게 분산되었습니다. 초음파에 의한 에스테인 용액. 둘째, 20g의 밀링된 CL-20(미가공 CL-20은 Liaoning Qingyang Chemical Industry Ltd.에서 제공했으며 밀링된 CL-20의 제조는 추가 파일 1에 표시됨)을 자기 교반으로 탈이온화된 200ml에 첨가했습니다. CL-20 서스펜션을 얻습니다. 그런 다음, 혼합 결합제 용액을 CL-20 현탁액에 천천히 주입하고 70°C의 항온 수욕에서 가열하고 용매가 완전히 제거될 때까지 0.02 MPa의 압력 하에 교반하였다. 마지막으로 냉각, 여과, 세척 및 진공 증발을 거쳐 CL-20 기반 복합재를 얻었다. 샘플을 구분하기 위해 샘플은 CL-20estane(샘플 1), CL-20/rGO(샘플 2), CL-20/CNT(샘플 3) 및 CL-20/rGO + CNT( 샘플 4), 각각.
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수중 현탁법으로 제조된 CL-20계 복합재료의 실험도
준비된 샘플의 표면 형태, 평균 크기 및 크기 분포는 주사 전자 현미경(SEM; SU-8020, Hitachi, Japan)을 사용하여 특성화되었습니다. DX-2700 X선 회절계(Dan Dong Hao Yuan Corporation, Liaoning, China)를 사용하여 Cu-Kα 방사선을 사용하여 전압 40kV 및 전류 30mA에서 CL-20 기반 복합재료의 원소 함량을 분석했습니다. .
샘플은 DSC-131 시차 주사 열량계(France Setaram Corporation, Shanghai, China)를 사용하여 분석되었습니다. DSC의 조건은 다음과 같습니다. 샘플 질량, 0.5mg; 가열 속도, 5, 10, 15, 20K/min; 및 질소 분위기, 30mL/min. 정량 시료를 슈트의 일정한 길이와 경사에 넣고 마찰에 의해 정전기를 발생시키면 대전된 시료가 패러데이 컵에 떨어지게 된 후 디지털 전하계로 정전 용량을 측정하였다. 그리고 정전기 축적량을 나타내기 위해 의약품 단위 질량의 누적 전하를 사용합니다. GJB 772A-97 폭발시험법, 601.3 Impact Sensitivity, Type 12 Drop Hammer 장비를 사용하여 충격감도를 시험하였다. 특수 높이(H50 )은 2.5 ± 0.002kg 드롭 해머가 시도의 50%에서 폭발 사고를 일으킬 높이를 나타냅니다. 용량 시험 조건은 35 ± 1 mg, 온도 10~35°C, 상대습도 80%였다. 이들 샘플의 열확산 계수는 레이저 플래시 방법으로 측정하였다. 샘플 크기는 10mm × 2mm(직경, 두께)입니다. 샘플의 표면은 에탄올로 닦았고, 전면은 25°C의 온도에서 흑연 에멀젼으로 코팅되었습니다. 열전도율(k )은 방정식(식(1))을 사용하여 계산되었습니다. 폭발성 이온화 전도도의 폭발파면을 이용하여 시간계측기와 전기프로브를 이용하여 폭발기둥에서의 폭발파 전파시간을 측정하였다. 그리고 폭발 속도는 계산에 의해 구했습니다.
그림 1은 CL-20, rGO와 CNT의 혼합물, CL-20 기반 복합재의 SEM 형태를 보여줍니다. 우리가 볼 수 있는 바와 같이, 원시 CL-20 입자의 대부분은 입자 크기가 약 300μm인 방추형이었고(그림 2a), 볼 밀링 후 CL-20 입자 크기는 약 200nm로 상당히 감소했습니다(그림 2b). . 도 2c에 도시된 바와 같이, 5개 층을 갖는 rGO의 평균 크기는 2μm이고, CNT가 rGO에 부착되어 인접한 rGO를 브리징하는 CNT와 복잡한 구조를 형성하였다. 탄소 기반 나노 물질로 코팅한 후, CNT가 복합재에서 응집되는 것이 관찰되었으며(그림 2d, e), 이는 높은 열전도도의 성능에 심각한 영향을 미쳤습니다. 그리고 그림 2f에서 보는 바와 같이 CNT와 rGO의 혼합물로 코팅된 시료에서는 CNT와 rGO가 검출되지 않아 두 물질이 고르게 분산되어 있음을 알 수 있으며, 이는 이들의 양이 적기 때문일 수도 있다.
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CL-20, rGO와 CNT의 혼합물, CL-20 기반 합성물의 SEM 형태:a 원시 CL-20; ㄴ 밀링된 CL-20; ㄷ rGO + CNT; d , e CL-20/CNT; 및 f CL-20/rGO + CNT
그림 3과 같이 2θ에 특징적인 피크가 있습니다. =12.59 o , 13.82 o , 30.29 o , 이는 표준 ε-형태 패턴에 따라 획득한 원시 CL-20이 ε-형태임을 나타냅니다[6, 19]. 그리고 코팅된 샘플의 회절 피크 위치는 기본적으로 원시 CL-20의 위치와 동일하므로 코팅 후 샘플이 여전히 ε-form을 유지하고 있음을 나타냅니다[18]. 그러나 동일한 회절각에서 코팅된 시료는 회절피크의 강도에 해당하여 원료보다 현저히 약하고, 회절피크가 부분적으로 넓어지는 것은 주로 입자크기의 영향에 기인한다. 코팅 재료.
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샘플의 X선 회절 패턴
DSC는 샘플의 열분해 성능을 테스트하는 데 사용됩니다. 그림 4는 가열 속도가 5°C/min인 샘플의 DSC 곡선입니다. CL-20의 발열 피크는 242°C에서 피크 지점에 도달한 후 급격히 떨어졌는데, 이는 폭발물의 열분해와 일치합니다[20]. 코팅된 시료의 열분해도 그림 4에서 볼 수 있으며, 그 경향은 원료와 거의 유사하며, rGO와 CNT의 혼합물과 원료 CL-20의 혼합물로 코팅된 시료 사이의 피크 분해 온도의 차이 2°C에 가까우므로 상용성 효과가 타사에 비해 우수하고[21] 타사와의 상용성이 불량한 원인은 대부분 덩어리 또는 VDW'의 영향을 받습니다. 그러나 동일한 가열 속도에서 코팅된 시료의 분해 피크가 원료의 분해 피크보다 빨라 복합 열분해 반응이 진행되었으며 rGO와 CNT가 CL-20의 분해를 촉매할 수 있음을 나타냅니다. 또한 폭발성 분자가 더 쉽고 활발하게 분해되도록 할 수 있으며 최대 분해 피크 온도를 낮출 수 있습니다. 또한, CNT의 첨가는 폭발 분해 엔탈피를 - 2384.95에서 - 9.82J/g로 현저히 감소시켰으며, 이는 실제 적용에서 약화되는 폭발물의 에너지 성능(폭발열 및 폭발 온도)로 이어질 수 있습니다. 따라서 열 안정성이 더 좋은 rGO를 사용하면 혼합물의 분해 엔탈피가 균형을 이루고 - 1897.80J/g에서 안정화됩니다[6]. 또한 폭발 시스템의 CNT 함량도 엄격하게 통제되어야 합니다.
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샘플의 DSC 곡선
정상적인 상황에서 특수 높이는 폭발물의 감도를 반영하며 특수 높이는 높을수록 폭발물에 둔감하고 안전도가 높습니다. 그림 5와 같이 특수 높이(H50 ) 원시 CL-20의 길이는 17.3cm입니다. 샘플 2, 샘플 3, 샘플 4의 특별한 높이가 17.3에서 65.8, 50.3, 68.7cm로 변경되었습니다. 충격 감도가 크게 감소했습니다. 이것은 주로 rGO와 CNT가 바인더의 작용으로 CL-20의 표면에 조밀한 보호막을 형성하여 표면을 부동태화하고 외부 아래에 "열점"을 거의 형성하지 않기 때문입니다. 기계적 자극. 한편, rGO와 CNT의 우수한 열적 특성, 특히 이들의 혼합물로 인해 균일하게 가열되고[18, 22], 전체 폭발 시스템의 충격 민감도를 줄이는 데 유리합니다.
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샘플의 충격 감도
또한 정전기 축적량은 에너지 물질의 정전기 특성과 정전기 환경에서의 안전성을 평가하는 중요한 매개변수입니다. 원료 CL-20과 코팅된 샘플의 정전기 축적량은 그림 6에 나와 있습니다. 코팅된 샘플의 정전기 축적은 원료의 정전기 축적보다 현저히 낮았습니다. 이는 주로 CL-20 결정이 바인더 및 코팅 재료를 더 큰 입자로 만들어 접촉 영역 중 마찰을 줄여 마찰 축적 전하를 줄입니다[23, 24]. 게다가 rGO와 CNT의 혼합물로 코팅된 CL-20의 정전기 축적은 주로 CNT의 영향을 받는다[25].
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샘플의 정전기 축적
모든 샘플의 열확산율 및 열전도율은 표 1에 나와 있습니다. 25°C에서 원시 CL-20의 열전도율은 0.143 W/m K에 불과함을 알 수 있습니다. 1wt% 탄소 나노물질로 코팅한 후 , 열확산율 및 열전도율이 크게 증가하였으며, 그 중 CNT와 rGO 혼합물로 코팅된 시료의 열전도율이 0.64 W/m K로 가장 높았으며, 이는 raw CL-20의 4.5배이다. 이는 주로 rGO와 CNT 모두 열전도율이 매우 높기 때문에 폭발물을 적용하면 폭발물 분자의 열전도율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, 문헌에 따르면 폭발물에 첨가되는 탄소 나노물질(rGO 또는 CNT)의 극소량만이 유효 열전도율에서 상당한 개선을 달성할 수 있습니다[7]. 따라서 본 실험에서는 최상의 효과를 얻기 위해 코팅재를 1wt%만 첨가하였다.
위에서 언급한 열분석에 따르면 rGO와 CNT의 혼합물이 rGO 또는 CNT 단독 사용보다 CL-20의 열전도도 향상에 더 효과적임을 알 수 있다. 탄소 기반 재료가 CL-20의 열전도율에 미치는 영향을 더 잘 조사하려면 위의 메커니즘 그림을 그리면 됩니다. 그림 7(병의 녹색 구체는 CL-20 입자, 회색 직사각형은 2차원 rGO, 검은색 선은 CNT, 빨간색 선은 열전도 경로, 빈 공간은 에스테인), rGO 및 CNT는 CL-20의 열전도율 향상에 시너지 효과가 있습니다. 한편, CNT는 인접한 rGO와 CL-20 폭발 입자를 연결하고 CNT는 가교 역할을 하여 CNT의 더 나은 유연성의 이점을 얻습니다[26]. 또한, 1차원 CNT는 폴리머 매트릭스의 열 흐름을 위한 추가 채널을 제공할 수 있습니다. 한편, 2차원 그래핀 플레이크 구조의 사용은 rGO의 높은 비표면적에 기인한 CNT에 더 많은 접합점을 생성할 수 있다[27]. rGO와 CNT 사이의 상호 작용 때문에 더 많은 열 전도 경로를 생성하고 더 많은 포논 전송 경로를 제공하여 3차원 열 전도 네트워크 구조를 형성합니다. 또한, rGO 및 CNT의 비표면적이 높기 때문에 코팅재와 폭발성 매트릭스 사이의 접촉면적을 증가시키고 층간 열저항을 감소시키는 것이 유리하다. 또한, rGO는 CNT와 유사한 화학 구조를 가지므로 계면 열 저항을 크게 감소시킬 수 있으며[28], 이로써 전체 시스템의 열 전달 효율을 향상시킬 수 있습니다. rGO 또는 CNT를 각각 열전도성 충진제로 사용하는 CL-20의 경우 열전도율이 매우 높지만 CNT의 계면 경계와 결함 산란으로 인해 층간 열저항이 증가하고 층간 VDW가 증가합니다. rGO는 또한 열 저항을 증가시켜 전체 열 전달 효율을 감소시킵니다.
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CL-20/rGO + CNT
의 열전달 개략도우리 모두가 알고 있듯이, 폭발성 장약에서 작은 기공이나 공극은 단열 압축을 받아 기공의 급격한 온도 상승을 초래합니다. 온도가 임계 온도를 초과하면 "핫스팟"이 형성되어 근처의 폭발성 입자를 가열하고 분해하여 더 많은 열을 방출하여 폭발을 유발합니다[29]. "열점"의 발생을 줄이기 위해서는 열점 온도와 열 함량을 제어해야 하며 충전재의 높은 열전도율은 "열점" 온도와 열 함량을 효과적으로 낮출 수 있습니다. 높은 열전도율과 부드러운 특성으로 인해 rGO와 CNT가 CL-20에 충전재로 첨가되어 폭발물의 표면에 얇은 코팅을 형성할 뿐만 아니라 공극을 보완하고 입자 사이의 마찰을 약화시킬 수 있습니다. , 그러나 또한 입자가 고르게 가열되고 빠르게 퍼져 열 함량을 줄이는 데 도움이 됩니다. 특히 이들의 혼합물은 위에서 논의한 바와 같이 3차원 열 네트워크를 형성하여 열 전달을 보다 효율적으로 개선할 수 있습니다. "핫스팟"이 감소하면 폭발 입자가 균일하게 가열되고 외부 자극에 쉽게 영향을받지 않으므로 폭발 시스템의 충격 민감도가 감소하고 폭발의 안정성이 보장됩니다. 따라서 전체 시스템의 열전도율을 향상시켜 감도를 줄이는 것이 중요합니다.
또한, 이 연구에서 우리는 코팅된 샘플의 열전도도와 특수 높이의 선형 맞춤을 수행했습니다. 그림 8과 같이 이들 사이의 관계는 양의 상관관계를 보였다. 샘플의 열전도율이 증가함에 따라 특수 높이가 점차 향상되어 폭발 시스템의 감도가 크게 감소했음을 나타냅니다. 결과는 시스템의 열전도율이 Cl-20의 충격 민감도에 중요한 영향을 미친다는 것을 증명했습니다. 또한 다음과 같은 실험식을 얻었습니다(Eq. (2)).
$$ y=85.62527-101.06403\exp \left(-\frac{x}{0.35142}\right) $$ (2)
열전도율과 특수 높이의 관계도
여기서 x 그리고 y 는 각각 열전도율[W/(m·K)] 및 충격 감도(cm)입니다. 보시다시피 열전도율과 감도는 분명히 양의 관계를 나타냈으며, 이는 열전도율이 증가함에 따라 폭발물의 감도가 크게 감소할 수 있음을 의미합니다. 또한 열전도성 충전재로 탄소나노물질을 추가하여 폭발성 시스템의 열전도율을 향상시키는 것이 폭발물의 기계적 민감도를 줄이는 데 도움이 되었음을 증명합니다.
원시 CL-20 및 코팅된 샘플에 대한 이론적인 폭발 성능(EXLO5 프로그램으로 계산)과 실제 폭발 속도는 표 2에 나와 있습니다(샘플 3과 샘플 4의 이론적인 폭발 성능은 모두 샘플 1의 이론적인 폭발 속도를 사용했습니다. 그리고 원자재의 실제 폭발 속도를 측정할 수 없으므로 이론값을 비교용으로 사용). 위의 표에서 샘플의 실제 폭발 속도는 일반적으로 이론 값보다 낮음을 알 수 있으며 이는 주변 온도, 폭발성 혼합물, 시험 장비 및 기타 객관적인 요인의 영향을 받을 수 있습니다. [30, 31] . 그리고 보시다시피, 샘플 3의 폭발 속도는 다른 코팅된 샘플보다 200m/s 감소했으며, 이는 CNT가 폭발 성능에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났으며 이는 열 분석의 결론과 일치했습니다. 그러나 샘플 4의 성능은 거의 변하지 않았으며, 함께 사용된 다른 탄소 코팅 재료가 샘플의 폭발 속도에 거의 영향을 미치지 않음을 나타냅니다. 폭발 속도는 CL-20 원자재보다 약하지만 전체 시스템은 여전히 훌륭한 에너지 속성을 가지고 있습니다.
요약하면, rGO 및 CNT가 포함된 CL-20 기반 복합재는 폭발 시스템의 열전도율을 높이는 데 도움이 되었습니다. 적합된 공식과 곡선은 열전도율의 향상이 폭발 시스템의 감도에 큰 영향을 미치며 열전도율의 증가로 인해 코팅된 샘플의 충격 감도가 효과적으로 감소됨을 입증했습니다. 또한 탄소 재료의 추가는 폭발 시스템의 에너지에 거의 영향을 미치지 않았습니다. 마지막으로, rGO와 CNT의 다른 비율이 실험 결과에 미치는 영향과 같은 본 연구에는 여전히 몇 가지 단점이 있으므로 이 부분은 다음 작업에서 더 탐구할 것입니다.
탄소 섬유 강화 플라스틱
2,4,6,8,10,12-헥사니트로-2,4,6,8,10,12-헥사아자이소우르치탄
탄소나노튜브
시차주사열량계
그래핀 나노혈소판
특별한 높이
1,3,5,7-테라니트로-1,3,5,7-테트라조신
고분자 결합 폭발물
헥사하이드로-1,3,5-트리니트로-1,3,5-트리아진
그래핀
전자현미경 스캐닝
단일벽 탄소나노튜브
반 데르 발스의 힘
X선 회절
나노물질
미시간 주 파밍턴 힐스에는 자동차 제조의 오랜 역사가 있으며, 이 이야기는 북부 주 전체에 걸쳐 사실입니다. Farmington Hills는 용사 및 밀봉 기술을 포함하여 해당 산업에 공급하기 위한 다양한 제조를 통해 자동차 역사를 이어갑니다. 금속 조각을 코팅하는 가장 좋은 방법 중 하나는 열과 산소를 혼합하여 분말을 녹이고 가공물에 분사하는 열 스프레이 응용 프로그램을 사용하는 것입니다. 파밍턴힐스에서 써멀스프레이를 원하시면 미드웨스트 써멀스프레이로 보내주시면 됩니다. 다른 코팅 서비스와 마찬가지로 열 스프레이 회사는 여러
강철의 변형은 탄소로 가능합니다. 철강의 탄소 함량은 다양한 용도로 철강의 특성을 변화시킵니다. 인장 속성은 측정된 강철의 탄소 백분위수를 사용하여 구부릴 수 있는 알루미늄 강철에서 충격 방지 장갑판에 이르기까지 무엇이든 만들 수 있습니다. 강철의 속성 철은 강철의 기본 금속이지만 너무 부드러워서 생산적이지 못합니다. 오스테나이트와 페라이트(탄소의 형태)가 도입되면 강철의 다양한 형성이 실현될 수 있습니다. 시멘타이트와 같은 다른 합금 원소도 강철의 구조적 가치를 변경하는 데 사용할 수 있습니다. 제어된 조건에서 추가 가열 및 냉