溶膠－凝膠法包覆儲氫材料MgH2的性能研究

程揚帆，顏事龍，馬宏昊，沈兆武

（1.安徽理工大學彈藥工程與爆炸技術系，安徽 淮南 232001；2.中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027）

引 言

傳統乳化炸藥在使用過程中存在爆炸威力低的問題，研制高威力乳化炸藥已成為研究的熱點問題［1－3］。為了改善乳化炸藥的爆轟性能，馬宏昊等［4］首次將儲氫材料MgH2同時作為敏化劑和含能材料加入到乳化基質中，制成了MgH2型儲氫乳化炸藥，并對其爆轟機理和抗動壓減敏機理進行大量的理論和實驗研究。結果表明，MgH2能夠顯著提高乳化炸藥的爆炸威力和抗動壓減敏能力［5－9］。該炸藥的敏化機理為：當 MgH2加入到乳化基質后，由于乳化基質含有約10%的水分并呈弱酸性［10］，外圍的 MgH2會與H＋發生反應，破壞了MgH2的儲氫結構，生成的H2在乳化基質中形成均勻分布的小氣泡，從而起到敏化作用。然而，MgH2型水解敏化儲氫乳化炸藥也存在發泡后效和敏化過程難以有效控制的問題，不僅影響炸藥的爆轟性能，也制約了其應用和推廣。

在乳化基質中添加質量分數0.5%的MgH2就足以起到敏化作用，剩余的MgH2主要通過參與爆轟反應來提高爆炸威力，因此可將不參與敏化反應的MgH2包覆起來，使其不發生水解，從而能夠有效控制MgH2的水解過程和反應后效。常用的包覆方法有熔融包覆法［11］、球磨包覆法［12］和溶膠－凝膠法［13］等。熔融包覆法完全包覆 MgH2所需的包覆材料過多，導致包覆膜過厚，從而影響炸藥的爆轟性能；球磨包覆法耗時長，且包覆后的MgH2容易固結成塊；溶膠－凝膠法不僅能夠實現均勻包覆，包覆膜的厚度可調且工藝簡單。

本研究采用溶膠－凝膠法制備了石蠟和硬脂酸包覆的MgH2，用掃描電鏡對包覆膜的微觀結構進行了表征，測試了石蠟包覆MgH2的防水和抗氧化性能，并通過水下爆炸實驗對其敏化的乳化炸藥的貯存穩定性進行了研究。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

MgH2，平均粒徑為20μm，阿法埃莎（中國）化學有限公司；石蠟和硬脂酸，國藥集團化學試劑有限公司。

Quanta 200型掃描電鏡，美國FEI公司。

1.2 包覆膜的制備

根據相似相溶原理，選擇某有機溶劑溶解硬脂酸和石蠟。首先將包覆材料（硬脂酸或石蠟）在有機溶劑中溶解，加入MgH2粉末，混合攪拌均勻后制成溶膠前驅體，最后在烘箱中烘干后制成硬脂酸和石蠟包覆的MgH2，包覆膜的厚度可以通過包覆材料的質量比進行調節。

1.3 結構表征及性能測試

采用環境掃描電鏡分別對硬脂酸和石蠟包覆的MgH2微觀結構進行表征；采用炸藥猛度測試中的“鉛鑄壓縮法”實驗研究兩種材料對炸藥猛度的影響，樣品質量為50g，炸藥的猛度與鉛鑄的壓縮量成正比。依據猛度實驗結果對包覆材料進行選擇；通過防水實驗和抗氧化實驗對石蠟包覆膜的性能進行了驗證；利用水下爆炸實驗研究石蠟包覆的MgH2與乳化基質的相容性和貯存穩定性。

2 結果與討論

2.1 包覆機理及包覆材料的選擇

包覆后的MgH2釋放出的H2只有參與爆轟反應才能提高炸藥的爆炸威力，因此，要求包覆膜能夠透過H2分子。同時，為了解決MgH2型水解敏化儲氫乳化炸藥的后效問題，保證MgH2的貯存穩定性，要求包覆膜能夠阻擋H2O和O2分子。由于H2分子的直徑小于H2O和O2分子，通過調節包覆膜表面縫隙的尺寸，以達到選擇性透過分子的目的，包覆膜的功能如圖1所示。同時，乳化基質是弱酸性環境，包覆膜還應具有抗弱酸的功能。

圖1 儲氫材料包覆膜功能示意圖Fig.1 Functional diagram of coating film for hydrogen storage material

石蠟和硬脂酸是炸藥中常用的黏結劑和鈍化劑，都不溶于水，因此選用石蠟和硬脂酸作為包覆材料，以達到防水和降感的雙重目的。

2.2 包覆膜的微觀結構

圖2為包覆前后MgH2的掃描電鏡圖。

圖2 MgH2包覆前后的掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of MgH2before and after coating

從圖3可以看出，未包覆的MgH2表面光滑并呈長條狀，石蠟包覆的MgH2表面有納米級縫隙，硬脂酸包覆MgH2的表面較致密，粒徑略小于石蠟包覆的MgH2，但大于未包覆MgH2的粒徑。通過以上討論可知，采用溶膠－凝膠法能夠實現儲氫材料MgH2的均勻包覆。

2.3 猛度試驗

硬脂酸包覆MgH2和石蠟包覆MgH2型乳化炸藥壓縮鉛鑄試驗結果見圖3。結果表明，添加硬脂酸包覆MgH2的復合敏化乳化炸藥猛度為17mm，遠低于添加石蠟包覆MgH2乳化炸藥的猛度（24mm）。分析認為，硬脂酸包覆膜的表面過于致密，從而導致MgH2中的H2在爆轟過程中難以完全參與反應，而石蠟包覆膜的表面有納米級的縫隙，H2容易透過包覆膜參與爆轟反應，使其猛度增加。因此，選擇石蠟作為 MgH2的包覆材料。

圖3 MgH2儲氫復合乳化炸藥的猛度實驗結果Fig.3 Brisance test results of MgH2sensitized composite emulsion explosives

2.4 防水性能及抗氧化性能

圖4為包覆前后MgH2防水性能測試結果。

圖4 MgH2的防水性能測試結果Fig.4 Water resistance testing of MgH2

從圖4可以看出，未包覆的MgH2在水中形成乳濁液，同時生成大量氣泡，說明MgH2發生了水解反應；石蠟包覆的MgH2在水中懸浮于水面上，說明石蠟包覆的MgH2與水不發生反應，具有很好的防水性能。這是因為包覆后的MgH2表面有一層石蠟膜，石蠟為高分子有機物，其結構上含有很多憎水基，排斥水分子，因此石蠟包覆的MgH2不溶于水。

將石蠟包覆的MgH2在常溫敞開條件下貯存30d，用掃描電鏡對其抗氧化性能進行EDS測試，結果如表1所示。C元素一般是實驗操作中引入的雜質，O元素的含量可以定性反應MgH2的氧化程度。從表1可以看出，氧元素的質量分數達40.51%，說明石蠟包覆膜的抗氧化性能有待改善，包覆后的MgH2需密封貯存。

表1 石蠟包覆MgH2的EDS測試結果Table 1 The results of EDS for paraffin wax coated MgH2

石蠟包覆MgH2抗氧化性能不佳的可能原因有3個：（1）包覆環境（如未在真空箱中操作而引入的氧元素）；（2）包覆工藝的問題（如攪拌和烘干過程導致包覆膜的結構問題）；（3）包覆材料的選擇和質量配比問題。

2.5 貯存性能

圖5是石蠟包覆MgH2型儲氫乳化炸藥貯存150d后的水下爆炸壓力時程曲線。由圖5可以看出，貯存150d后，MgH2型復合敏化儲氫乳化炸藥的沖擊波壓力峰值從14.6MPa降至14.5MPa，只降低了1.09%，說明MgH2型復合敏化儲氫乳化炸藥的貯存穩定性符合要求。這是因為包覆后的MgH2具有很好的防水性能，抑制了炸藥的過度發泡作用，從而避免了炸藥在貯存過程中的敏化氣泡過大而影響其爆轟性能。

圖5 石蠟包覆的MgH2型儲氫乳化炸藥水下爆炸壓力時程曲線Fig.5 Shock wave pressure－time curves of paraffin wax coated MgH2sensitized emulsion explosive

3 結 論

（1）通過溶膠－凝膠法，采用石蠟和硬脂酸對MgH2進行包覆，得到包覆均勻且厚度可控的包覆膜。

（2）石蠟包覆膜上有納米級的縫隙，能夠透過H2而阻止水分子的進入，在提高炸藥爆轟性能的同時解決了炸藥的發泡過程控制及后效問題。

（3）MgH2型復合敏化儲氫乳化炸藥具有優異的貯存穩定性，但石蠟包覆MgH2的抗氧化性能不佳，需要進一步改善。

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