水分含量对HMX热稳定性与燃烧性能的影响

《ACS Omega》：Effects of Moisture Content on the Thermal Stability and Combustion Performance of HMX

　　

1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷（HMX）是一种广泛应用的高能量密度含能材料，但其热安全性有限。研究人员采用质量比分别为10:0、9:1、8:2和7:3的HMX/H2O混合物，系统考察了水分对HMX热稳定性与燃烧行为的影响。偏光显微镜、X射线衍射（XRD）与傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果表明，加水未改变HMX的晶相与分子结构。随水分含量升高，不同含水比例HMX样品的热分解峰温略有升高，摩擦感度显著下降；5秒爆发点温度升高，点火延迟时间延长，火焰亮度与燃速降低。上述实验现象共同表明样品整体热安全性能改善。在本研究特定条件下，与其他质量比相比，10 wt %水分在降低感度与保留燃烧性能之间提供了有利平衡。值得注意的是，开放空气燃烧实验显示当水分增至20 wt %时，尽管热稳定性进一步增强，但无法实现完全燃烧。这些发现阐明了水在HMX热分解、热爆炸、点火与燃烧行为中的调控作用，为含能材料的安全处置与燃烧应用提供了有价值的见解。

研究背景方面，含能材料在实际应用中不可避免受水影响，水通过物理吸附或化学作用改变晶体颗粒表面状态及传热传质过程，进而影响宏观反应特性。已有研究指出水对NTO、FOX-7及复合推进剂分别表现出钝感或敏化效应，说明水的影响因材料类别与外部刺激而异。HMX作为典型硝胺类单组分炸药，在火药、装药与复合含能系统中应用广泛，其热分解、点火与燃烧行为直接决定能量释放效率及储运安全，但含水HMX的宏观燃烧数据稀缺。联合国危险品运输建议规定高性能炸药湿态运输最低水含量15 wt %，而HMX本身非吸湿，加水可降低爆轰感度，因此系统研究0、10、20、30 wt %水分梯度下的热安全与燃烧行为具有明确工程价值。研究人员通过开展系列实验，得出水分以物理吸附形式存在、不改变β-HMX晶型，但显著提升热稳定性并降低机械与火焰感度，其中10 wt %为感度与燃效平衡点，20 wt %以上开放燃烧无法完全燃尽，该结论为HMX安全储运与处置提供了定量参考，论文发表于《ACS Omega》。

关键技术方法上，研究人员以辽宁庆阳化工干HMX为原料，50℃水浴烘干4 h后按质量比配制0、10、20、30 wt %含水样品并短时内完成测试。表征采用偏光显微镜观察晶貌，XRD（Cu Kα，2θ=10–60°）与ATR-FTIR（500–4000 cm^–1）确认结构与吸附态；TG-DSC（N₂氛围，10 K·min^–1）获取热分解峰温；BAM摩擦仪测摩擦感度；依据GJB 772B-2022的5秒爆发点法（AET 402）由lnτ–1/T线性外推5秒爆发温度与表观活化能；火焰热延迟系统（300℃）测点火延迟与光强；自建开放空气平台以24±0.1 g样品录视频帧析燃速。样本为实验室配制HMX/H₂O混合物，无外部队列。

研究结果部分，3.1偏光显微镜分析显示干HMX为完整六方板状单晶，加水后转为细碎晶粒团聚体，水以物理吸附分布于晶面与粒间，毛细液桥增强黏附。3.2 XRD与FTIR分析表明β-HMX特征峰位不变，仅强度波动，含水样品在3400 cm^–1出现O–H宽峰，证实水未进入晶格仅表面物理吸附。3.3同步热分析显示所有样品单一放热分解，DTG失重峰温由285.57℃升至287.36℃，DSC起始与峰值放热温度随含水率微升（最高+4.07℃），峰形展宽，说明水分提升热稳定性。3.4摩擦感度分析中临界载荷分别增加72、96、108 N，水作界面润滑剂与吸热汽化抑制热点成核，感度递减。3.5 5秒爆发点分析得干样317℃，9:1、8:2、7:3样品分别为327、347、346℃，320℃下延迟时间最长增192%，表观活化能总体上行（7:3达128.5 kJ·mol^–1），水等能障提高。3.6火焰感度分析显示300℃火焰下点火延迟由10.34 s增至26.32 s，最大光强由0.73 V降至0.37 V，20与30 wt %组延迟无显著差异，燃烧强度弱化。3.7开放燃烧测试中10:0、9:1、8.5:1.5质量燃速为1.7、0.32、0.23 g/s，8:2（20 wt %）难引燃且留残，证明过量水牺牲燃烧完整性。

讨论与结论翻译总结：研究人员指出水对HMX的调控呈双重性——低至中量（≤10 wt %）在维持燃效同时显著降低摩擦与火焰感度、延后爆发点，源于物理吸附水的界面润滑、吸热汽化及热点抑制；过量（≥20 wt %）虽进一步钝感但开放体系下因汽化吸热与气相稀释导致不能自持完全燃烧。综合热分解、5秒爆发点、摩擦感度与开放燃速，10 wt %水分提供感度降低与能量输出的最佳折衷，该定量边界支持UN湿态运输15 wt %下限的工程合理性，并为含水含能材料安全销毁与燃烧应用提供数据支撑。