탄소 나노소재 보조 열전도도로 CL-20 안전성 향상: 충격 감도 저감

초록

본 연구에서 환원 그래핀 산화물(rGO)과 탄소 나노튜브(CNT)를 CL-20 복합체에 전도성 필러로 도입해 열전도도를 높였습니다. 주사 전자 현미경(SEM)과 X선 회절(XRD)은 rGO와 CNT를 1 wt% 결합 시 균일한 3차원 열전도 네트워크 형성을 보여주었습니다. 시차 주사 열량법(DSC), 정전기 테스트, 특수 낙하 높이 측정, 열확산도, 기폭 속도 실험은 시너지 필러가 열전달 향상뿐만 아니라 충격 감도를 현저히 낮추면서 폭약 에너지 성능을 보존함을 입증했습니다.

배경

CL-20(2,4,6,8,10,12-헥사니트로-2,4,6,8,10,12-헥사아자이소부르치탄)은 RDX, HMX 같은 전통 폭약 대비 우수한 밀도와 에너지 밀도 제공. 그러나 열전도도 낮아 급격한 온도 변화 시 핫스팟 형성 촉진, 무기 시스템 신뢰성 위협으로 높은 감도 원인^1-7. 이 한계 극복은 안전 고성능 적용에 필수적.

폴리머 코팅과 흑연 필러는 에너지 결정 기계적, 열적 견고성 개선에 오래 사용. 최근 합의는 탄소 기반 나노필러(그래핀 나노플레이틀릿, CNT 등)로 폴리머 복합체 내 효율적 열전달 경로 생성 선호^8-13. 이들 나노소재는 뛰어난 평면 내 열전도도와 높은 종횡비로 연속적 저저항 열전달 네트워크 형성 가능.

그래핀 2차원 격자는 큰 포논 평균 자유 경로와 높은 전자 이동도 제공하나, 층간 반데르발스 상호작용이 면외 열전달 방해. 반면 CNT는 1차원 다리 역할로 그래핀 시트와 폭약 입자 연결, 계면 열저항 감소, 3차원 네트워크 형성^14-16. 따라서 rGO와 CNT 시너지 혼합이 우수한 열전도도와 결과적 충격 감도 저감 기대.

본 연구는 CL-20 복합체 내 rGO와 CNT 결합 효과 탐구, 미세구조, 열 거동, 감도, 기폭 성능 특성화 및 열전달 메커니즘 규명.

실험 방법

나노스케일 CL-20/탄소 소재 복합체 합성

CL-20 복합체 수현탁법으로 제작(그림 1). Estane(1,2-디클로로에탄 3 wt%) 바인더 매트릭스 사용. rGO, CNT, 또는 rGO:CNT 2:1 혼합물(SWCNT) 초음파 교반으로 바인더 용액 분산. 별도 20 g 볼밀링 CL-20 200 mL 탈염수 현탁 자기 교반. 바인더 용액 CL-20 현탁액에 서서히 첨가, 70°C 0.02 MPa 압력 가열 용매 제거. 냉각 후 여과, 세척, 진공 증발 최종 제품. 시료 표기: CL-20/Estane (1), CL-20/rGO (2), CL-20/CNT (3), CL-20/rGO + CNT (4).

수현탁법으로 제조된 CL-20 기반 복합체 실험 다이어그램

특성 분석

SEM(SU-8020, Hitachi) 표면 형태, 입자 크기 분포 포착. XRD(DX-2700, Dan Dong Hao Yuan) Cu-Kα 방사선(40 kV, 30 mA) 결정 구조 평가. DSC(DSC-131, Setaram) 질소 흐름(30 mL min⁻¹) 5-20 K min⁻¹ 승온률 열분해 평가. 정전기 축적 슈트 마찰 유도 디지털 미터 전하 기록, 단위 질량당 전하로 정전기 축적 정량. 충격 감도 GJB 772A-97(타입 12 낙하 해머) 50% 확률 높이(H₅₀) 결정. 열확산도 10 mm × 2 mm 디스크 레이저 플래시 분석, 열전도도(k) 표준 공식 계산. 기폭 속도 비행 시간 프로브 측정, 이론 값 EXPLO5 계산.

결과 및 고찰

미세구조 특성

SEM 이미지(그림 2) 원시 CL-20 ~300 µm 방추형 입자(2a). 볼밀링 ~200 nm 크기 감소(2b). rGO 시트(~2 µm, 5층)와 CNT 인터로킹 조립(2c). CL-20/CNT 복합체 CNT 응집 경향 열전달 손상(2d, e). 반면 rGO + CNT 혼합물 균일 분산 뚜렷 응집체 없음(2f), 효과적 시너지 지시.

CL-20, rGO-CNT 혼합물, CL-20 기반 복합체 SEM 형태: a 원시 CL-20; b 볼밀링 CL-20; c rGO + CNT; d, e CL-20/CNT; f CL-20/rGO + CNT

XRD 패턴(그림 3) 모든 시료 ε-상 확인, 피크 위치 불변이나 나노필러 코팅과 입자 크기 효과로 강도 감소, 폭 확대.

시료 X선 회절 패턴

열 분석

DSC 곡선(그림 4) 원시 CL-20 242°C 발열 피크, 폭약 분해 특징. 코팅 시료 유사 피크 형태이나 rGO + CNT 혼합물 ~2°C 이동, 우수한 호환성 지시. 모든 복합체 분해 개시 온도 앞당겨짐 나노필러 촉매 활성 시사. CNT 첨가 분해 엔탈피 -2384.95 → -779.82 J g⁻¹ 감소, 폭발열 잠재적 감소; rGO 이 효과 완화 -1897.80 J g⁻¹ 균형. 따라서 CNT 함량 신중 제어 필요 에너지 출력 보존.

시료 DSC 곡선

감도 분석

충격 감도 H₅₀로 정량: 원시 CL-20 17.3 cm → 시료 2, 3, 4 각각 65.8, 50.3, 68.7 cm로 극적 개선. rGO와 CNT 형성 조밀 열전도 코팅 핫스팟 생성 억제, 기계적 에너지 효율적 소산 감도 저감. 정전기 테스트(그림 6) 모든 복합체 전하 축적 감소 확인, rGO + CNT 혼합물 최저값, CNT 전하 소산 능력 기인.

시료 충격 감도

시료 정전기 축적

열전도도 분석

25°C 측정 원시 CL-20 0.143 W m⁻¹ K⁻¹. 1 wt% rGO + CNT 코팅 시 0.64 W m⁻¹ K⁻¹로 4.5배 증가, rGO 또는 CNT 단독 시 더 작은 이득. rGO와 CNT 높은 고유 전도도, 계면 시너지 결합 연속적 3차원 열전달 네트워크 형성, 층간 저항 최소화. 개략도(그림 7) CNT가 rGO 시트와 CL-20 입자 연결, 다수 포논 경로 생성, 표면 접촉 최대화.

CL-20/rGO + CNT 열전달 개략도

선형 회귀(그림 8) 열전도도와 충격 감도 명확 역관계: k 증가 시 H₅₀ 상승, 높은 열전도도 핫스팟 형성과 기계적 점화 억제 확인. 경험식 y = 85.62527 − 101.06403 exp(−x/0.35142) 이 경향 포착, x는 k(W m⁻¹ K⁻¹), y는 H₅₀(cm).

열전도도와 특수 높이 관계도

기폭 성능

원시 CL-20과 복합체 이론 기폭 파라미터(EXPLO5) 및 측정 속도 표 2 요약. 실제 속도 이론 예측 약간 하회(환경, 기기 요인 기인) CNT 단독 포함 시 ~200 m s⁻¹ 감소, rGO + CNT 혼합물 기본 소재 수준 성능 유지. 시너지 필러 에너지 출력 보존하며 안전성 향상.

결론

CL-20에 rGO와 CNT 도입으로 열전도도 현저 향상, 견고한 3차원 열전달 네트워크 형성. 이 향상 H₅₀로 정량된 충격 감도 대폭 저감으로 직결, 기폭 에너지 손상 없이. k와 감도 경험적 상관관계 열관리가 폭약 안전에 핵심 역할 강조. 향후 최적 rGO:CNT 비율 탐구로 성능과 안전 추가 균형 모색.

약어

CFRP:

탄소섬유 강화 플라스틱

CL-20:

2,4,6,8,10,12-헥사니트로-2,4,6,8,10,12-헥사아자이소부르치탄

CNT:

탄소 나노튜브

DSC:

시차 주사 열량계

GNP:

그래핀 나노플레이틀릿

H₅₀:

특수 높이

HMX:

1,3,5,7-테트라니트로-1,3,5,7-테트라조신

PBX:

폴리머 결합 폭약

RDX:

헥사하이드로-1,3,5-트리니트로-1,3,5-트리아진

rGO:

환원 그래핀 산화물

SEM:

주사 전자 현미경

SWNT:

단일벽 탄소 나노튜브

VDW:

반데르발스 힘

XRD:

X선 회절