Kurangi Sensitivitas CL-20 dengan Meningkatkan Konduktivitas Termal Melalui Carbon Nanomaterials

Hasil dan Diskusi

Karakteristik Mikrostruktur

Gambar 1 menunjukkan morfologi SEM dari CL-20, campuran rGO dan CNT, dan komposit berbasis CL-20. Seperti yang dapat kita lihat, sebagian besar partikel CL-20 mentah berbentuk gelendong dengan ukuran partikel sekitar 300 m (Gbr. 2a), dan setelah ball mill, ukuran partikel CL-20 berkurang secara substansial, hanya sekitar 200 nm (Gbr. 2b) . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, ukuran rata-rata rGO dengan lima lapisan adalah 2 m, dan CNT menempel pada rGO dan membentuk struktur kompleks dengan CNT menjembatani rGO yang berdekatan. Setelah dilapisi dengan bahan nano berbasis karbon, diamati bahwa CNT diaglomerasi dalam komposit (Gbr. 2d, e), yang secara serius mempengaruhi kinerja konduktivitas termal yang tinggi. Dan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2f, CNT dan rGO tidak terdeteksi pada sampel yang dilapisi campuran CNT dan rGO, menunjukkan bahwa keduanya tersebar merata dan mungkin juga karena jumlahnya yang sedikit.

Morfologi SEM CL-20, campuran rGO dan CNT, dan komposit berbasis CL-20:a CL-20 mentah; b CL-20 yang digiling; c rGO + CNT; d , e CL-20/CNT; dan f CL-20/rGO + CNT

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, ada puncak karakteristik di 2θ = 12.59 ^o , 13,82 ^o , 30.29 ^o , yang sesuai dengan pola bentuk- standar, menunjukkan bahwa CL-20 mentah yang diperoleh adalah bentuk- [6, 19]. Dan posisi puncak difraksi sampel yang dilapisi pada dasarnya sama dengan posisi CL-20 mentah, yang menunjukkan bahwa sampel setelah pelapisan masih mempertahankan bentuk-ε [18]. Namun, pada sudut difraksi yang sama, sampel yang dilapisi sesuai dengan intensitas puncak difraksi secara signifikan lebih lemah daripada bahan baku, dan puncak difraksi melebar sebagian, yang terutama disebabkan oleh pengaruh ukuran partikel partikel. bahan pelapis.

Pola difraksi sinar-X sampel

Analisis Termal

DSC digunakan untuk menguji kinerja dekomposisi termal sampel. Ditunjukkan pada Gambar. 4 adalah kurva DSC sampel dengan laju pemanasan 5 °C/menit. Puncak eksotermik CL-20 mencapai titik puncak pada 242°C dan kemudian turun tajam, yang sejalan dengan dekomposisi termal bahan peledak [20]. Dekomposisi termal dari sampel yang dilapisi juga dapat dilihat dari Gambar 4, dan trennya kira-kira mirip dengan bahan mentah, dan perbedaan suhu puncak dekomposisi antara sampel yang dilapisi dengan campuran rGO dan CNT dan CL-20 mentah mendekati 2 °C, yang menunjukkan bahwa efek kompatibilitasnya lebih unggul daripada yang lain [21], dan alasan kompatibilitas yang buruk dengan yang lain sebagian besar dipengaruhi oleh gaya aglomerasi atau VDW'. Namun, pada laju pemanasan yang sama, puncak dekomposisi sampel yang dilapisi lebih awal dari pada bahan baku, menunjukkan bahwa reaksi dekomposisi termal komposit telah maju, rGO dan CNT dapat mengkatalisis dekomposisi CL-20. Ini juga dapat membuat molekul eksplosif terurai lebih mudah dan lebih aktif dan juga menurunkan suhu puncak dekomposisi maksimum. Selain itu, penambahan CNT secara signifikan mengurangi entalpi dekomposisi ledakan dari 2384,95 menjadi 779,82 J/g, yang dapat menyebabkan kinerja energi bahan peledak (panas ledakan dan suhu ledakan) melemah dalam aplikasi praktis. Oleh karena itu, penggunaan rGO yang memiliki stabilitas termal lebih baik akan menyeimbangkan entalpi dekomposisi campuran dan membuatnya stabil pada 1897,80 J/g [6]. Selain itu, kandungan CNT dalam sistem peledak juga harus dikontrol secara ketat.

Kurva sampel DSC

Analisis Sensitivitas

Pada keadaan normal, ketinggian khusus mencerminkan sensitivitas bahan peledak, semakin tinggi ketinggian khusus, semakin tidak sensitif bahan peledak, dan semakin tinggi keamanannya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, ketinggian khusus (H₅₀ ) dari CL-20 mentah adalah 17,3 cm. Tinggi khusus sampel 2, sampel 3, dan sampel 4 berubah dari 17,3 menjadi 65,8, 50,3, dan 68,7 cm; sensitivitas dampak berkurang secara signifikan. Hal ini terutama karena, di satu sisi, rGO dan CNT membentuk film pelindung padat pada permukaan CL-20 di bawah aksi pengikat, sehingga mempasifkan permukaan dan hampir tidak membentuk "titik panas" di bawah eksternal. stimulasi mekanis. Di sisi lain, karena sifat termal yang sangat baik dari rGO dan CNT, terutama campurannya, bermanfaat untuk memanaskan secara merata [18, 22] dan mengurangi sensitivitas benturan dari keseluruhan sistem peledak.

Sensitivitas dampak sampel

Selanjutnya, jumlah akumulasi listrik statis merupakan parameter penting untuk mengevaluasi sifat elektrostatik bahan energik dan keamanan di lingkungan elektrostatik. Jumlah akumulasi listrik statis dari CL-20 mentah dan sampel yang dilapisi ditunjukkan pada Gambar. 6. Akumulasi listrik statis dari sampel yang dilapisi secara signifikan lebih rendah daripada bahan mentah, terutama karena kristal CL-20 diikat oleh bahan pengikat dan pelapis menjadi partikel yang lebih besar, mengurangi gesekan selama bidang kontak, sehingga mengurangi akumulasi muatan gesekan [23, 24]. Terlebih lagi, akumulasi elektrostatik CL-20 yang dilapisi dengan campuran rGO dan CNT terutama dipengaruhi oleh CNT [25].

Akumulasi listrik statis sampel

Analisis Konduktivitas Termal

Difusivitas termal dan konduktivitas termal dari semua sampel ditunjukkan pada Tabel 1. Dapat ditemukan bahwa pada 25 °C, konduktivitas termal CL-20 mentah hanya 0,143 W/m K. Setelah dilapisi dengan bahan nano karbon 1% berat , difusivitas termal dan konduktivitas termal meningkat secara signifikan, di mana sampel yang dilapisi dengan campuran CNT dan rGO memiliki konduktivitas termal tertinggi 0,64 W/m K, dan 4,5 kali CL-20 mentah. Ini terutama karena rGO dan CNT memiliki konduktivitas termal yang sangat tinggi, dan aplikasi bahan peledaknya dapat secara signifikan meningkatkan konduktivitas termal molekul bahan peledak. Selain itu, menurut literatur, hanya sejumlah kecil bahan nano karbon (rGO atau CNT) yang ditambahkan ke bahan peledak dapat mencapai peningkatan yang signifikan dalam konduktivitas termal efektif [7]. Oleh karena itu, untuk mencapai efek terbaik, hanya 1% berat bahan pelapis yang ditambahkan dalam eksperimen ini.

Berdasarkan analisis termal tersebut di atas, dapat dilihat bahwa campuran rGO dan CNT lebih efektif untuk meningkatkan konduktivitas termal CL-20 daripada penggunaan rGO atau CNT saja. Untuk lebih mengeksplorasi pengaruh bahan berbasis karbon pada konduktivitas termal CL-20, cukup gambar mekanisme di atas. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7 (bola hijau botol mewakili partikel CL-20, persegi panjang abu-abu mewakili rGO dua dimensi, garis hitam mewakili CNT, garis merah mewakili jalur konduksi termal, dan ruang kosong mewakili estane), rGO dan CNT memiliki efek sinergis dalam meningkatkan konduktivitas termal CL-20. Di satu sisi, CNT menjembatani partikel peledak rGO dan CL-20 yang berdekatan, dan CNT memainkan peran menjembatani, yang mendapat manfaat dari fleksibilitas CNT yang lebih baik [26]. Selain itu, CNT satu dimensi dapat menyediakan saluran tambahan untuk aliran panas matriks polimer. Dan di sisi lain, penggunaan struktur serpihan graphene dua dimensi dapat membuat lebih banyak titik persimpangan ke CNT, yang dikaitkan dengan luas permukaan spesifik rGO yang tinggi [27]. Karena interaksi antara rGO dan CNT, ia menciptakan lebih banyak jalur konduksi panas dan menyediakan lebih banyak jalur untuk transmisi fonon, sehingga membentuk struktur jaringan tiga dimensi konduksi termal. Selain itu, karena luas permukaan spesifik rGO dan CNT yang tinggi, akan bermanfaat untuk meningkatkan area kontak antara bahan pelapis dan matriks peledak dan mengurangi ketahanan termal antar-lapisan. Selain itu, rGO memiliki struktur kimia yang mirip dengan CNT, sehingga ketahanan termal antar mukanya dapat dikurangi secara signifikan [28], sehingga meningkatkan efisiensi perpindahan panas dari keseluruhan sistem. Sedangkan untuk CL-20, yang masing-masing menggunakan rGO atau CNT sebagai pengisi konduktif termal, meskipun keduanya memiliki konduktivitas termal yang sangat tinggi, batas antarmuka dan hamburan cacat CNT dapat meningkatkan ketahanan termal antar lapisan, dan VDW antara lapisan. rGO juga meningkatkan ketahanan termal, sehingga mengurangi efisiensi perpindahan panas secara keseluruhan.

Diagram skema transfer termal CL-20/rGO + CNT

Seperti yang kita semua tahu, dalam bahan peledak, pori-pori kecil atau rongga tunduk pada kompresi adiabatik, yang menyebabkan kenaikan suhu yang cepat di pori-pori. Ketika suhu melebihi suhu kritis, "titik panas" terbentuk, memanaskan partikel peledak di dekatnya dan menyebabkan mereka terurai untuk melepaskan lebih banyak panas untuk menyebabkan ledakan [29]. Untuk mengurangi pembentukan "titik panas", perlu untuk mengontrol suhu titik panas dan kandungan panas, sedangkan konduktivitas termal yang tinggi dari bahan pengisi dapat secara efektif mengurangi suhu "titik panas" dan kandungan panas. Karena konduktivitas termal yang tinggi dan sifat lunaknya, rGO dan CNT ditambahkan ke dalam CL-20 sebagai pengisi, yang tidak hanya dapat membentuk lapisan tipis pada permukaan bahan peledak, melengkapi rongga, dan melemahkan gesekan antar partikel. , tetapi juga membantu partikel panas secara merata dan cepat menyebar untuk mengurangi kandungan panas. Terutama campurannya, mereka dapat membentuk jaringan termal tiga dimensi untuk meningkatkan perpindahan panas secara lebih efisien, seperti yang dibahas di atas. Ketika "titik panas" berkurang, partikel bahan peledak dipanaskan secara merata dan tidak mudah terpengaruh oleh stimulus eksternal, sehingga mengurangi sensitivitas dampak sistem peledak dan memastikan stabilitas bahan peledak. Oleh karena itu, penting untuk meningkatkan konduktivitas termal seluruh sistem untuk mengurangi sensitivitas.

Selanjutnya, dalam penelitian ini, kami melakukan fit linier dari konduktivitas termal dan ketinggian khusus sampel yang dilapisi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8, hubungan di antara mereka berkorelasi positif. Ketika konduktivitas termal sampel meningkat, ketinggian khusus secara bertahap meningkat, menunjukkan bahwa sensitivitas sistem peledak telah berkurang secara signifikan. Hasilnya membuktikan bahwa konduktivitas termal sistem memang memiliki pengaruh penting terhadap sensitivitas dampak Cl-20. Terlebih lagi, kami mendapatkan rumus empiris (Persamaan. (2)):

Diagram hubungan antara konduktivitas termal dan ketinggian khusus

dimana x dan y adalah konduktivitas termal [W/(m·K)] dan sensitivitas benturan (cm), masing-masing. Seperti yang dapat kita lihat, konduktivitas termal dan sensitivitas menunjukkan hubungan yang jelas positif, yang juga berarti dengan meningkatnya konduktivitas termal, sensitivitas bahan peledak dapat dikurangi secara signifikan. Ini juga membuktikan bahwa meningkatkan konduktivitas termal sistem peledak dengan menambahkan material nano karbon sebagai pengisi konduktif termal memang membantu mengurangi sensitivitas mekanis bahan peledak.

Kinerja Detonasi

Performa detonasi teoretis (dihitung dengan program EXPLO5) dan kecepatan detonasi aktual untuk CL-20 mentah dan sampel berlapis ditunjukkan pada Tabel 2 (Kinerja detonasi teoritis sampel 3 dan sampel 4 keduanya menggunakan kecepatan detonasi teoritis sampel 1. Dan karena kecepatan detonasi sebenarnya dari bahan mentah tidak dapat diukur, nilai teoritis digunakan untuk perbandingan). Dapat dilihat dari tabel di atas bahwa kecepatan detonasi sebenarnya dari sampel umumnya lebih rendah dari nilai teoritis, yang mungkin dipengaruhi oleh suhu lingkungan, campuran bahan peledak, instrumen pengujian, dan faktor objektif lainnya [30, 31] . Dan seperti yang kita lihat, kecepatan detonasi sampel 3 berkurang 200 m/s dibandingkan sampel berlapis lainnya, yang menunjukkan bahwa CNT memiliki pengaruh signifikan pada kinerja detonasi, yang konsisten dengan kesimpulan analisis termal. Tetapi kinerja sampel 4 sedikit berubah, menunjukkan bahwa bahan berlapis karbon berbeda yang digunakan bersama memiliki sedikit pengaruh pada kecepatan detonasi sampel. Meskipun kecepatan detonasi lebih lemah daripada kecepatan bahan baku CL-20, sistem keseluruhan masih memiliki sifat energi yang luar biasa.