界面結(jié)構(gòu)對(duì)含能材料的力學(xué)性能、安全性能、熱穩(wěn)定性均具有重要的影響。聚多巴胺（PDA）是一種能使絕大多數(shù)基體功能化的表面化學(xué)材料,具有制備簡(jiǎn)單易控,反應(yīng)溫和,操作安全,可再進(jìn)一步功能化等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),仿生PDA包覆廣泛應(yīng)用于含能材料領(lǐng)域并取得良好進(jìn)展。本文就PDA基仿生可控界面對(duì)含能材料結(jié)構(gòu)和性能影響進(jìn)行了綜述。從PDA粘結(jié)機(jī)理出發(fā),介紹了PDA對(duì)含能材料和功能填料進(jìn)行表面功能化的方法,重點(diǎn)闡述了PDA表面改性對(duì)炸藥的安全性能、熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律�？偨Y(jié)了PDA在含能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能調(diào)控中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),指明目前存在的問(wèn)題,建議進(jìn)一步探明PDA與含能材料、粘結(jié)劑間作用機(jī)理,設(shè)計(jì)規(guī)整可控的界面結(jié)構(gòu),引入功能性高分子,并拓展含能材料用表面功能化材料種類(lèi)。 

【文章來(lái)源】：含能材料. 2020,28(06)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：11 頁(yè)

【部分圖文】：

貽貝在聚四氟乙烯（PTFE）上粘附照片；（b,c）界面粘結(jié)足絲蛋白Mefp‐5和簡(jiǎn)化分子基團(tuán)示意圖；（d)Mefp‐5的氨基酸序列；（e）多巴胺分子結(jié)構(gòu)，含有Mefp‐5中發(fā)現(xiàn)的氨基和兒茶酚結(jié)構(gòu)基團(tuán)；（f）多巴胺在基體表面沉積過(guò)程示意圖；（g）多巴胺膜厚度隨沉積時(shí)間的變化趨勢(shì)；（h）聚多巴胺包覆基體的化學(xué)鍍；（i）多巴胺沉積前后25種基體的XPS特征信號(hào)分析[12]

多數(shù)含能晶體具有多種晶型，在受熱、溶劑等刺激下容易發(fā)生相變。伴隨相變，含能晶體產(chǎn)生微缺陷和孔穴，在受到撞擊、摩擦?xí)r，這些缺陷會(huì)成為熱點(diǎn)，增加含能晶體的感度[25]。鞏飛艷等[10]利用仿生多巴胺的強(qiáng)界面作用來(lái)抑制含能晶體相變，制備方法如圖2所示。PDA包覆量?jī)H0.5%就可將HMX的β‐δ相變溫度提高約28℃。在200℃下加熱30 min后，HMX的撞擊感度從5 J下降到2 J，而HMX@PDA的撞擊感度不變（5 J），表明HMX在熱損傷后的感度增加，相變延遲有利于多晶炸藥的安全性。進(jìn)一步地，含能晶體的等溫和非等溫動(dòng)力學(xué)特性研究表明，成核是相變過(guò)程中的限速步驟[26]。PDA包覆顯著降低了相變速率，尤其是成核速率。密度泛函理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果顯示，相變抑制起源于PDA的聚合物鏈與HMX晶體表面的官能團(tuán)之間的強(qiáng)烈相互作用，PDA包覆阻礙了晶體表面δ-核的形成，如圖3所示[26]。相比于傳統(tǒng)炸藥晶體（如HMX、黑索今RDX),1,3,5‐三氨基‐2,4,6‐三硝基苯（TATB）晶體為平面層狀π‐堆積結(jié)構(gòu)，具有特殊的各向異性結(jié)構(gòu)，使得其本身表現(xiàn)出明顯的粘彈性[27]，熱作用下TATB的體積膨脹以及外界力作用下TATB單層晶體的滑移導(dǎo)致TATB具有顯著的變形[28]。PDA包覆對(duì)各向異性含能晶體的不可逆熱膨脹具有良好的抑制作用，如圖4所示[29]。包覆1.5%PDA后，TATB@PDA不可逆膨脹應(yīng)變比純TATB下降27.7%（從0.520%下降到0.376%）。與TATB/普通聚合物粘結(jié)劑（如含氟聚合物和聚氨酯共聚物等）相比，采用原位聚合方法在TATB表面形成了致密、剛性的PDA交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及強(qiáng)烈的化學(xué)粘附作用，TATB@PDA復(fù)合材料的耐蠕變性能顯著改善[30]�？梢�(jiàn)，PDA包覆在一定程度上有助于降低熱力作用下變形對(duì)材料應(yīng)用的影響，對(duì)提高各向異性含能材料的形穩(wěn)性具有重要意義。

相比于傳統(tǒng)炸藥晶體（如HMX、黑索今RDX),1,3,5‐三氨基‐2,4,6‐三硝基苯（TATB）晶體為平面層狀π‐堆積結(jié)構(gòu)，具有特殊的各向異性結(jié)構(gòu)，使得其本身表現(xiàn)出明顯的粘彈性[27]，熱作用下TATB的體積膨脹以及外界力作用下TATB單層晶體的滑移導(dǎo)致TATB具有顯著的變形[28]。PDA包覆對(duì)各向異性含能晶體的不可逆熱膨脹具有良好的抑制作用，如圖4所示[29]。包覆1.5%PDA后，TATB@PDA不可逆膨脹應(yīng)變比純TATB下降27.7%（從0.520%下降到0.376%）。與TATB/普通聚合物粘結(jié)劑（如含氟聚合物和聚氨酯共聚物等）相比，采用原位聚合方法在TATB表面形成了致密、剛性的PDA交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及強(qiáng)烈的化學(xué)粘附作用，TATB@PDA復(fù)合材料的耐蠕變性能顯著改善[30]。可見(jiàn)，PDA包覆在一定程度上有助于降低熱力作用下變形對(duì)材料應(yīng)用的影響，對(duì)提高各向異性含能材料的形穩(wěn)性具有重要意義。界面脫粘是PBX損傷破壞的主要機(jī)制之一，成為影響其力學(xué)性能的重要環(huán)節(jié)[31]。傳統(tǒng)界面改性方法，如添加鍵合劑或偶聯(lián)劑，與炸藥和粘結(jié)劑間相互作用并不是很牢固，作用機(jī)理有待驗(yàn)證，且不能有效調(diào)控其界面結(jié)構(gòu)[32]。為了解決這一難題，何冠松等[33]將仿生PDA引入PBX中，報(bào)道了一種全新的高效界面改性方法來(lái)提高PBX的力學(xué)性能，如圖5所示。PDA的引入增強(qiáng)了TATB和粘結(jié)劑界面相互作用，顯著提高了PBX的拉伸、壓縮強(qiáng)度和應(yīng)變，并改善了耐蠕變性能�；诮缑婊瘜W(xué)“相互作用鍵合”與物理“互鎖”相結(jié)合的新模型，給出了界面增強(qiáng)效應(yīng)的機(jī)理：氫鍵的形成和其它超分子間的相互作用（包括π‐π堆積和電荷轉(zhuǎn)移）增強(qiáng)了TATB晶體與含氟聚合物粘結(jié)劑之間的界面結(jié)合。此外，PDA包覆增加了炸藥晶體表面粗糙度，與粘結(jié)劑分子形成物理“互鎖”作用。同樣，基于PDA包覆HMX晶體，改性PBX的儲(chǔ)能模量、力學(xué)強(qiáng)度和韌性以及耐蠕變性能明顯提高。此外，改性HMX基PBX的β‐δ相變溫度提高了16℃，摩擦感度從84%降低到40%，在一定程度上解決了HMX基PBX的相變、力學(xué)性能差、感度高等問(wèn)題[34]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]仿生聚多巴胺對(duì)HMX、TATB和鋁粉的界面性能改性[J]. 祝青,吳束力,肖春,謝虓,李尚斌,羅觀.  含能材料. 2019(11)
[2]PDA包覆鋁粉及其在HTPB中的分散穩(wěn)定性[J]. 肖春,祝青,謝虓,羅觀,李尚斌.  火炸藥學(xué)報(bào). 2017(03)
[3]TATB基PBX界面粘結(jié)改善研究進(jìn)展[J]. 何冠松,林聰妹,劉佳輝,劉世俊,劉永剛.  含能材料. 2016(03)
[4]TATB基高聚物粘結(jié)炸藥的蠕變特性研究[J]. 李明,溫茂萍,何強(qiáng),龐海燕,敬世明.  含能材料. 2005(03)



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