Peningkatan Keamanan CL-20: Menurunkan Sensitivitas Dampak melalui Konduktivitas Termal yang Dibantu Nanomaterial Karbon
Abstrak
Dalam studi ini, grafit oksida yang direduksi (rGO) dan nanotub karbon (CNT) dikombinasikan ke dalam komposit CL-20 sebagai pengisi konduktif untuk meningkatkan konduktivitas termal. Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) dan difraksi X (XRD) mengungkapkan jaringan panas konduktif tiga dimensi yang seragam ketika rGO dan CNT dikombinasikan pada 1 wt %. Kalorimetri scan diferensial (DSC), uji listrik statis, pengukuran ketinggian khusus, difusivitas termal, dan eksperimen kecepatan detonasi menunjukkan bahwa pengisi sinergi tidak hanya meningkatkan transfer panas tetapi juga secara signifikan menurunkan sensitivitas dampak, sambil mempertahankan performa energi peledak.
Latar Belakang
CL-20 (2,4,6,8,10,12-heksanitro-2,4,6,8,10,12-heksaazaisowurtzitan) menawarkan densitas dan densitas energi yang lebih unggul dibandingkan peledak tradisional seperti RDX dan HMX. Sensitivitas tinggi, namun, berasal dari konduktivitas termal yang buruk, yang mempromosikan pembentukan titik panas selama fluktuasi suhu cepat dan membahayakan keandalan sistem senjata.1–7 Oleh karena itu, mengatasi keterbatasan ini sangat penting untuk aplikasi berperforma tinggi dan aman.
Lapisan polimer dan pengisi grafit telah lama digunakan untuk meningkatkan robustnes mekanis dan termal kristal energi. Konsensus terbaru mendukung penggunaan nanofiller berbasis karbon—nanoplat grafit, CNT, dan materi terkait—untuk membuat jaringan transfer panas yang efisien dalam komposit polimer.8–13 Nanomaterial ini memiliki konduktivitas termal dalam bidang yang luar biasa dan rasio aspek tinggi, memungkinkan pembentukan jaringan transfer panas kontinu dengan resistansi rendah.
Sementara jaring dua dimensi grafit menawarkan bebas jalur fonon yang besar dan mobilitas elektron tinggi, interaksi van der Waals antar lapis sering menghambat aliran panas lintas bidang. Sebaliknya, CNT menyediakan jembatan satu dimensi yang dapat menghubungkan lembar grafit dan partikel peledak, mengurangi resistansi termal antarmuka dan membentuk jaringan tiga dimensi.14–16 Oleh karena itu, campuran sinergi rGO dan CNT diantisipasi dapat memberikan konduktivitas termal yang superior dan, akibatnya, sensitivitas dampak yang berkurang.
Karya ini mengeksplorasi efek gabungan rGO dan CNT dalam komposit CL-20, memetik mikrostruktur, perilaku termal, sensitivitas, dan performa detonasi, serta menjelaskan mekanisme transfer panas yang mendasarinya.
Metode
Sintesis Komposit Nanoskala CL-20/Material Karbon
Komposit CL-20 dibuat melalui rute suspensi air (Gambar 1). Estane (3 wt % dalam 1,2-dikloroetan) berfungsi sebagai matriks pengikat. rGO, CNT, atau campuran rGO:CNT 2:1 (SWCNT) dispersi dalam larutan pengikat melalui pengadukan ultrasonik. Terpisah, 20 g CL-20 yang digiling disuspendi dalam 200 mL air deionisasi di bawah pengadukan magnetik. Larutan pengikat ditambahkan perlahan ke suspensi CL-20, dan campuran dipanaskan pada 70 °C di bawah tekanan 0,02 MPa untuk menghilangkan pelarut. Setelah pendinginan, komposit difilter, dicuci, dan diparut vakum untuk menghasilkan produk akhir. Sampel diberi label sebagai CL-20/Estane (1), CL-20/rGO (2), CL-20/CNT (3), dan CL-20/rGO + CNT (4).
Diagram eksperimental komposit berbasis CL-20 yang disiapkan dengan metode suspensi air
Karakterisasi
SEM (SU-8020, Hitachi) menangkap morfologi permukaan dan distribusi ukuran partikel. XRD (DX-2700, Dan Dong Hao Yuan) menilai struktur kristal menggunakan radiasi Cu-Kα (40 kV, 30 mA). DSC (DSC-131, Setaram) mengevaluasi dekomposisi termal di bawah aliran nitrogen (30 mL min⁻¹) dengan laju pemanasan 5–20 K min⁻¹. Akumulasi listrik statis diukur dengan memicu gesekan di dalam lereng dan mencatat muatan dengan meter digital; muatan per satuan massa mengukur pembentukan elektrostatis. Sensitivitas dampak mengikuti GJB 772A-97 (pal jatuh jenis 12) untuk menentukan ketinggian probabilitas 50 persen (H₅₀). Difusivitas termal diperoleh melalui analisis flash laser pada cakram 10 mm × 2 mm, dan konduktivitas termal (k) dihitung dari rumus standar. Kecepatan detonasi diukur dengan sond waktu penerbangan, dan nilai teoretis dihitung menggunakan EXPLO5.
Hasil dan Diskusi
Karakteristik Mikrostruktur
Citra SEM (Gambar 2) menunjukkan CL-20 mentah sebagai partikel inti ~300 µm (2a). Penggilingan bola mengurangi ukuran menjadi ~200 nm (2b). Lembar rGO (~2 µm, lima lapis) dan CNT membentuk perakitan saling terkunci (2c). Dalam komposit CL-20/CNT, CNT cenderung mengaglomerasi, mengganggu transfer panas (2d, e). Sebaliknya, campuran rGO + CNT menunjukkan dispersi seragam tanpa aglomerasi yang terlihat (2f), yang menunjukkan sinergi yang efektif.
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
Pola XRD (Gambar 3) mengonfirmasi fase epsilon semua sampel, dengan posisi puncak tidak berubah tetapi intensitas berkurang dan lebar melebar karena pelapisan nanofiller dan efek ukuran partikel.
Pola difraksi X sampel
Analisis Termal
Kurva DSC (Gambar 4) mengungkapkan puncak eksotermik pada 242 °C untuk CL-20 mentah, ciri khas dekomposisi peledak. Sampel yang dilapis menunjukkan bentuk puncak yang serupa tetapi pergeseran ~2 °C pada campuran rGO + CNT, yang menunjukkan kompatibilitas yang lebih baik. Awal dekomposisi yang lebih awal untuk semua komposit menunjukkan aktivitas katalitik dari nanofiller. Penambahan CNT mengurangi entalpi dekomposisi dari −2384,95 hingga −779,82 J g⁻¹, yang berpotensi mengurangi panas peledakan; rGO memoderasi efek ini, menghasilkan −1897,80 J g⁻¹ yang seimbang. Oleh karena itu, konten CNT harus dikontrol dengan hati-hati untuk mempertahankan output energi.
Kurva DSC sampel
Analisis Sensitivitas
Sensitivitas dampak, diukur oleh H₅₀, meningkat secara dramatis dari 17,3 cm (CL-20 mentah) menjadi 65,8, 50,3, dan 68,7 cm untuk sampel 2, 3, dan 4, masing-masing. Lapisan konduktif termal padat yang dibentuk oleh rGO dan CNT menekan pembentukan titik panas dan melepaskan energi mekanis secara efisien, menurunkan sensitivitas. Uji listrik statis (Gambar 6) mengonfirmasi akumulasi muatan yang berkurang untuk semua komposit, dengan campuran rGO + CNT menunjukkan nilai terendah, yang disebabkan oleh kemampuan CNT untuk melepaskan muatan.
Sensitivitas dampak sampel
Akumulasi listrik statis sampel
Analisis Konduktivitas Termal
Diukur pada 25 °C, CL-20 mentah menunjukkan 0,143 W m⁻¹ K⁻¹. Pelapisan dengan 1 wt % rGO + CNT meningkatkan konduktivitas menjadi 0,64 W m⁻¹ K⁻¹—4,5 kali dari dasar—sedangkan rGO atau CNT sendirian memberikan penguatan yang lebih kecil. Konduktivitas intrinsik tinggi rGO dan CNT, digabungkan dengan sinergi antarmuka mereka, mendirikan jaringan transfer panas tiga dimensi kontinu yang meminimalkan resistansi antar lapis. Skematis (Gambar 7) menggambarkan CNT menghubungkan lembar rGO dan partikel CL-20, menciptakan banyak jalur fonon dan memaksimalkan kontak permukaan.
Diagram skematis transfer panas CL-20/rGO + CNT
Regresi linier (Gambar 8) menunjukkan hubungan terbalik yang jelas antara konduktivitas termal dan sensitivitas dampak: seiring dengan meningkatnya k, H₅₀ naik, mengonfirmasi bahwa konduktivitas termal yang lebih tinggi menekan pembentukan titik panas dan ignisi mekanis. Pemodelan empiris y = 85.62527 − 101.06403 exp(−x/0.35142) menangkap tren ini, di mana x adalah k (W m⁻¹ K⁻¹) dan y adalah H₅₀ (cm).
Diagram hubungan antara konduktivitas termal dan ketinggian khusus
Performa Detonasi
Parameter detonasi teoretis (EXPLO5) dan kecepatan yang diukur untuk CL-20 mentah dan komposit diringkas dalam Tabel 2. Meskipun kecepatan aktual sedikit di bawah prediksi teoretis—dapat disebabkan oleh faktor lingkungan dan instrumen—penggabungan CNT sendirian mengurangi kecepatan sekitar 200 m s⁻¹, sedangkan campuran rGO + CNT mempertahankan performa yang sebanding dengan bahan dasar. Jadi, pengisi sinergi mempertahankan output energi sambil meningkatkan keamanan.
Kesimpulan
Penyisipan rGO dan CNT ke dalam CL-20 secara signifikan meningkatkan konduktivitas termal, membentuk jaringan transfer panas tiga dimensi yang kuat. Peningkatan ini mengarah pada penurunan besar dalam sensitivitas dampak, diukur oleh H₅₀, tanpa mengorbankan energi detonasi. Korelasi empiris antara k dan sensitivitas menekankan peran penting manajemen panas dalam keamanan peledak. Kerja mendatang akan mengeksplorasi rasio rGO:CNT optimal untuk menyeimbangkan performa dan keamanan lebih lanjut.
