一种近红外激光点火含能材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及含能材料
技术领域
，具体涉及一种近红外激光点火含能材料及其制备方法。背景技术
含能材料的激光点火机理可分为光热效应机理和激光直接解离机理两种。其中，光热效应机理为含能材料分子通过吸收激光光子能量，瞬间产生高能热量，从而引发含能材料点火。激光直接解离机理是指含能材料分子吸收特定频率的激光光子并发生离解，生成高活性的分子碎片，从而引发化学链反应，实现含能材料的点火。大部分激光点火属于光热效应点火，只有当激光能量和含能材料分子光活化能匹配时，才有可能发生激光直接解离点火。近红外脉冲二极管激光光源具有装置小，价格低等优点，是微型激光点火装置最合适的电源。
然而，近红外激光的光量子能量小，不足以激发传统炸药的电子跃迁，很难实现含能材料的激光直接解离点火，采用近红外激光点火主要为光热效应点火。能否实现激光点火技术在武器装备中的实际应用，主要由激光技术和激光点火含能材料的发展水平决定。近年来，激光技术取得了突飞猛进的发展。目前，已商业化的激光器种类繁多，其中近红外激光器非常适用于武器装备的应用要求。然而，具有激光点火性能的含能材料发展极其缓慢，这严重阻碍了激光点火技术的发展。
传统CHNO类炸药普遍存在对激光吸收能力低或基本不吸收的问题，从而不具备激光点火性能。将炭黑、有机染料和金属纳米颗粒等材料作为光敏剂，掺杂到CHNO类炸药中，可以提高复合含能材料的激光吸收能力，实现CHNO类炸药激光点火性能。然而，采用该方法制备的复合含能材料，具有性能不稳定、制备工艺安全性差等缺点。同时，在炸药中添加较硬组分(金属纳米离子)也会增加目标复合材料的机械感度，降低其安全性能。因此，发展制备具有激光点火性能复合含能材料的新方法，对推动激光点火技术的发展具有重要的价值。
本发明提出了一种在现有高能炸药晶体表面定向生长一层具有强激光吸收性能的含能金属有机框架材料，构筑近红外激光点火含能材料的新方法。本发明提供的新型含能材料，能够推动激光点火技术的快速发展，还为新型激光点火含能材料的制备提供新思路。
发明内容
针对现有近红外激光点火含能材料种类稀少，严重阻碍了近红外激光点火技术的发展的现状。本发明提供了一种具有近红外激光点火性能的含能材料及其制备方法。
为实现本发明的目的，本发明提供如下技术方案：
一种近红外激光点火含能材料的制备方法，包括以下步骤：在一定温度下，将含能金属有机框架材料溶解到水中，然后加入CHNO类高能炸药晶体；室温静置2～3天，获得在CHNO类高能炸药晶体表面生长了一层含能金属有机框架材料的新型含能材料，即得目标含能材料。
在一些实施例中，所述含能金属有机框架材料的制备方法为：在室温条件下，将双四唑基胺(H2BTA)加入到水中，然后加入NaOH，回流，待反应物完全溶解后，加入有机富氮阳离子氯盐；待反应液完全澄清后，快速加入过渡金属盐，二次回流10分钟；趁热过滤，滤液室温静置，1～2天后得含能金属有机框架材料晶体。
在一些实施例中，所述一定温度为室温～90℃。
在一些实施例中，CHNO类高能炸药包括但不限于RDX、HMX和CL-20。
在一些实施例中，所述含能金属有机框架材料和CHNO类高能炸药晶体的质量比为1：(0.2～5)。
在一些实施例中，所述回流温度为60℃～80℃。
在一些实施例中，所述回流时间为10-30分钟。
在一些实施例中，所述二次回流温度为60℃～80℃。
在一些实施例中，所述回流时间为5-10分钟。
本发明还提供了一种近红外激光点火复合含能材料，由任一上述的制备方法制备而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明针对现有近红外激光点火材料种类稀少的问题，发明了一种具有近红外激光点火性能的复合含能材料。CHNO类高能炸药通常不具备近红外激光起爆性能，本发明通过在其晶体表面生长一层具有强激光吸收性能的含能MOFs，利用二者之间的协同作用，构筑具有近红外激光点火性能的新型复合含能材料。本发明涉及的复合含能材料，含能MOFs含量在10-90％之间。
附图说明
为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。
图1为本发明实施例的含能材料合成路线示意图。
图2为本发明实施例的含能金属有机框架1的单晶图。
图3为本发明实施例的含能材料1的近红外激光点火实验图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明采用的技术方案是：
1)设计合成在极性溶剂中具有优异溶解性能，对近红外激光具有强吸收能力的含能金属有机框架材料；2)将该类含能金属有机框架材料定向生长在CHNO类高能单质炸药晶体表面；3)利用含能金属有机框架材料和高能炸药之间的协同作用，实现目标含能材料的近红外激光点火性能。
含能金属有机框架材料合成路线如图1所示，其中：
M：Fe2+、Cu2+、Co2+等过渡金属阳离子；
N：胍、三氨基胍等有机阳离子。
具体合成方法如下：
在室温条件下，将双四唑基胺(H2BTA)加入到水中，然后加入NaOH，80℃回流0.5小时，待反应物完全溶解后，加入有机阳离子氯盐。待反应液完全澄清后，快速加入过渡金属盐，80℃回流10分钟。乘热过滤，滤液室温静置，1～2天后得含能金属有机框架材料晶体。
上述合成方法中的NaOH也可以是KOH等其它碱；
上述合成方法中双四唑基胺(H2BTA)和NaOH的摩尔比为1：(1.8～2.1)；H2BTA和有机富氮阳离子氯盐的摩尔比为1：(1.0～3.0)；H2BTA和过渡金属盐的摩尔比为1：(0.25～0.75)；回流温度可以是但不限于80℃；回流时间可以是但不限于10分钟。
2)新型含能材料的制备：
在一定温度下，将所合成的含能金属有机框架材料溶解到水中，然后加入CHNO类高能炸药晶体。室温静置2～3天，获得在CHNO类高能炸药晶体表面生长了一层含能金属有机框架材料的新型含能材料。它是一种由含能金属有机框架材料和CHNO类高能炸药复合而成的。本发明所涉及的含能金属有机框架材料由有机阳离子、过渡金属离子和含能配体构筑而成，在水、甲醇、二甲基甲酰胺等极性溶剂中具有较好的溶解性，对可见光和近红外光具有较强的吸收能力。将近红外激光直接辐照在目标含能材料上，将导致其爆燃或爆炸。
上述制备方法中所述的一定温度范围为室温～90℃；
上述制备方法中所述高能炸药可以是但不限于RDX、HMX和CL-20；
上述制备方法中所述的含能金属有机框架材料和高能单质炸药的质量比为1：(0.2～5)。
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1.含能金属有机框架材料-1的制备
在室温下，向100mL圆底烧瓶中加入100mL水，1.56g双四唑基胺(H2BTA)，0.8gNaOH，加热至80℃，回流10分钟。待H2BTA和NaOH完全溶解后，加入2.24g三氨基胍盐酸盐，回流5分钟。待氨基胍盐酸盐完全溶解后，加入0.56g三水合氯化铜，回流10分钟，过滤，滤液室温静置1～3天，得绿色晶体含能金属有机框架-1材料。
实施例2.含能金属有机框架材料-1的制备
在室温下，向100mL圆底烧瓶中加入100mL水，1.56g双四唑基胺(H2BTA)，1.12gKOH，加热至80℃，回流10分钟。待H2BTA和KOH完全溶解后，加入2.24g三氨基胍盐酸盐，回流5分钟。待氨基胍盐酸盐完全溶解后，加入0.78g六水合氯化钴，回流10分钟，过滤，滤液室温静置1～3天，得绿色晶体含能金属有机框架材料-1材料。
图2.为含能金属有机框架材料-1的单晶图；
在该含能金属有机框架材料的结构中，每个铜离子和两个去质子化的双四唑基胺阴离子(BTA2-)配位，每个BTA2-阴离子采用螯合配位的方式和一个铜离子进行配位。金属离子和配体之间通过上述配位方式，构筑了带负电荷的Cu(BTA)2 2-离子簇。三氨基胍阳离子(TAG)起电荷平衡作用，分布在Cu(BTA)2 2-离子簇四周，从而构建含能金属有机框架材料-1晶体结构。
实施例3.新型含能材料的制备(1)
在室温下，将0.2g含能金属有机框架材料-1，20mL水加入100mL的单口烧瓶中，加热至60℃回流，待形成澄清溶液后，将0.6g CL-20晶体加入上述溶液中，降至室温静置2天，得目标含能材料1。
实施例4.新型含能材料的制备(2)
在室温下，将0.2g含能金属有机框架材料-1，20mL水加入100mL的单口烧瓶中，加热至60℃回流，待形成澄清溶液后，将0.6g HMX晶体加入上述溶液中，降至室温静置2天，得目标含能材料2。
实施例7.新型含能材料的制备(3)
在室温下，将0.2g含能金属有机框架材料-1，20mL水加入100mL的单口烧瓶中，加热至60℃回流，待形成澄清溶液后，将0.6g RDX晶体加入上述溶液中，降至室温静置2天，得目标含能材料3。
实施例8.新型含能材料的激光点火性能
在室温下，将0.1g复合含能材料1在0.1MPa压力下压成片状，采用1064nm激光对样品进行辐照，用高速摄像机拍摄整个点火实验过程。
图3为本发明实施例的含能材料1的近红外激光点火实验图。
将制成片状结构的含能材料1置于激光点火性能测试装置样品台上，采用1064nm的近红外激光对样品进行辐照，采用高速摄像机(1000帧每秒)拍摄整个实验过程。激光刚接触样品和第一次观察到燃烧火焰之间的时间间隔为材料点火延迟时间。从图3中可以看出，激光辐照到含能材料1上6ms后，材料开始气化；在65ms时，观察到明显的燃烧火焰。因此，含能材料1的近红外激光点火延迟时间为65ms。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
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