Aprimorando Segurança do CL-20: Reduzindo Sensibilidade a Impacto via Condutividade Térmica Assistida por Nanomateriais de Carbono

Resumo

Neste estudo, óxido de grafeno reduzido (rGO) e nanotubos de carbono (CNT) foram incorporados em compósitos de CL-20 como carregadores condutivos para aumentar condutividade térmica. Microscopia eletrônica de varredura (SEM) e difração de raios X (XRD) revelaram rede tridimensional uniforme de condução de calor quando rGO e CNT foram combinados a 1% em peso. Calorimetria exploratória diferencial (DSC), testes de eletricidade estática, medições de altura especial, difusividade térmica e experimentos de velocidade de detonação demonstraram que o carregador sinérgico não apenas melhorou transferência de calor mas também reduziu marcadamente sensibilidade a impacto, enquanto preservou desempenho energético do explosivo.

Introdução

CL-20 (2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitano) oferece densidade e densidade energética superiores comparadas a explosivos tradicionais como RDX e HMX. Sua alta sensibilidade, no entanto, decorre de condutividade térmica pobre, que promove formação de pontos quentes durante flutuações rápidas de temperatura e compromete confiabilidade de sistemas de armas. 1-7 Endereçar esta limitação é portanto crítico para aplicações seguras de alto desempenho.

Revestimentos poliméricos e carregadores de grafite têm sido longamente empregados para melhorar robustez mecânica e térmica de cristais energéticos. Consenso recente favorece uso de nano-carregadores baseados em carbono — nanoplateletes de grafeno, CNTs e materiais relacionados — para criar vias térmicas eficientes em compósitos poliméricos. 8-13 Esses nanomateriais possuem condutividade térmica in-plano excepcional e altas razões de aspecto, permitindo formação de redes contínuas de transferência de calor de baixa resistência.

Enquanto a rede bidimensional do grafeno oferece grande caminho livre médio de fônons e alta mobilidade eletrônica, interações de van der Waals intercamadas frequentemente impedem fluxo de calor transversal. CNTs, por contraste, fornecem pontes unidimensionais que podem ligar folhas de grafeno e partículas de explosivo, reduzindo resistência térmica interfacial e formando rede tridimensional. 14-16 Assim, uma mistura sinérgica de rGO e CNT é antecipada para entregar condutividade térmica superior e, consequentemente, sensibilidade a impacto reduzida.

Este trabalho explora o efeito combinado de rGO e CNT em compósitos de CL-20, caracterizando microestrutura, comportamento térmico, sensibilidade e desempenho de detonação, e elucidando os mecanismos subjacentes de transferência de calor.

Métodos

Síntese de Compósitos CL-20/Material de Carbono Nanoescalado

Compósitos de CL-20 foram fabricados via rota de suspensão aquosa (Fig. 1). Estane (3% em peso em 1,2-dicloroetano) serviu como matriz aglutinante. rGO, CNT, ou mistura rGO:CNT 2:1 (SWCNT) foram dispersos na solução do aglutinante por agitação ultrassônica. Separadamente, 20 g CL-20 moído foi suspenso em 200 mL água desionizada sob agitação magnética. A solução do aglutinante foi lentamente adicionada à suspensão de CL-20, e a mistura foi aquecida a 70 °C sob 0,02 MPa pressão para remover solvente. Após resfriamento, o compósito foi filtrado, lavado, e evaporado a vácuo para produzir o produto final. Amostras foram rotuladas como CL-20/Estane (1), CL-20/rGO (2), CL-20/CNT (3), e CL-20/rGO + CNT (4).

Diagrama experimental de compósitos baseados em CL-20 preparados por método de suspensão aquosa

Caracterização

SEM (SU-8020, Hitachi) capturou morfologia superficial e distribuição de tamanho de partícula. XRD (DX-2700, Dan Dong Hao Yuan) avaliou estrutura cristalina usando radiação Cu-Kα (40 kV, 30 mA). DSC (DSC-131, Setaram) avaliou decomposição térmica sob fluxo de nitrogênio (30 mL min⁻¹) com taxas de aquecimento de 5-20 K min⁻¹. Acúmulo de eletricidade estática foi medido induzindo fricção em calha e registrando carga com medidor digital; a carga por unidade de massa quantificou acúmulo eletrostático. Sensibilidade a impacto seguiu GJB 772A-97 (martelo de queda tipo 12) para determinar altura de 50% probabilidade (H₅₀). Difusividade térmica foi obtida via análise laser-flash em discos 10 mm × 2 mm, e condutividade térmica (k) calculada da fórmula padrão. Velocidade de detonação foi medida com sonda de tempo de voo, e valores teóricos calculados usando EXPLO5.

Resultados e Discussão

Características de Microestrutura

Imagens SEM (Fig. 2) mostram CL-20 bruto como partículas fusiformes ~300 µm (2a). Moagem reduziu tamanho a ~200 nm (2b). Folhas de rGO (~2 µm, cinco camadas) e CNTs formaram montagens intertravadas (2c). Em compósitos CL-20/CNT, CNTs tenderam a aglomerar, prejudicando transferência de calor (2d, e). Inversamente, a mistura rGO + CNT exibiu dispersão uniforme sem aglomerados discerníveis (2f), indicando sinergia efetiva.

Morfologias SEM de CL-20, mistura de rGO e CNT, e compósitos baseados em CL-20: a CL-20 bruto; b CL-20 moído; c rGO + CNT; d, e CL-20/CNT; e f CL-20/rGO + CNT

Padrões XRD (Fig. 3) confirmam fase ε de todas as amostras, com posições de pico inalteradas mas intensidades reduzidas e larguras alargadas devido a efeitos de revestimento nano-carregador e tamanho de partícula.

Padrões de difração de raios X das amostras

Análise Térmica

Curvas DSC (Fig. 4) revelam pico exotérmico a 242 °C para CL-20 bruto, característico de decomposição explosiva. Amostras revestidas exibem formas de pico similares mas deslocamento de ~2 °C na mistura rGO + CNT, indicando compatibilidade superior. Início de decomposição mais cedo para todos os compósitos sugere atividade catalítica dos nano-carregadores. Adição de CNT reduz entalpia de decomposição de -2384,95 para -779,82 J g⁻¹, potencialmente diminuindo calor explosivo; rGO modera este efeito, resultando em -1897,80 J g⁻¹ balanceado. Portanto, conteúdo de CNT deve ser cuidadosamente controlado para preservar saída energética.

Curvas DSC das amostras

Análise de Sensibilidade

Sensibilidade a impacto, quantificada por H₅₀, melhorou dramaticamente de 17,3 cm (CL-20 bruto) para 65,8, 50,3 e 68,7 cm para amostras 2, 3 e 4, respectivamente. O revestimento denso e termicamente condutivo formado por rGO e CNT suprime geração de pontos quentes e dissipa energia mecânica eficientemente, reduzindo sensibilidade. Testes de eletricidade estática (Fig. 6) confirmam acúmulo de carga reduzido para todos os compósitos, com mistura rGO + CNT mostrando os menores valores, atribuível à capacidade de dissipação de carga do CNT.

Sensibilidade a impacto das amostras

Acúmulo de eletricidade estática das amostras

Análise de Condutividade Térmica

Medida a 25 °C, CL-20 bruto exibe 0,143 W m⁻¹ K⁻¹. Revestimento com 1% em peso rGO + CNT aumenta condutividade para 0,64 W m⁻¹ K⁻¹ — 4,5× a linha de base — enquanto rGO ou CNT sozinhos entregam ganhos menores. As altas condutividades intrínsecas de rGO e CNT, combinadas com sua sinergia interfacial, estabelecem rede contínua de transferência de calor tridimensional que minimiza resistência intercamadas. Um esquema (Fig. 7) ilustra CNTs ponteando folhas de rGO e partículas de CL-20, criando numerosos caminhos de fônons e maximizando contato superficial.

Diagrama esquemático de transferência térmica de CL-20/rGO + CNT

Regressão linear (Fig. 8) demonstra clara relação inversa entre condutividade térmica e sensibilidade a impacto: à medida que k aumenta, H₅₀ sobe, confirmando que maior condutividade térmica suprime formação de pontos quentes e ignição mecânica. O ajuste empírico y = 85,62527 − 101,06403 exp(−x/0,35142) captura esta tendência, onde x é k (W m⁻¹ K⁻¹) e y é H₅₀ (cm).

Diagrama de relação entre condutividade térmica e altura especial

Desempenhos de Detonação

Parâmetros teóricos de detonação (EXPLO5) e velocidades medidas para CL-20 bruto e compósitos são resumidos na Tabela 2. Embora velocidades reais sejam ligeiramente abaixo de previsões teóricas — atribuíveis a fatores ambientais e instrumentais — a inclusão de CNT sozinho reduz velocidade em ~200 m s⁻¹, enquanto a mistura rGO + CNT retém desempenho comparável ao material base. Assim, o carregador sinérgico preserva saída energética enquanto aprimora segurança.

Conclusões

Incorporar rGO e CNT em CL-20 eleva marcadamente condutividade térmica, formando rede robusta de transferência de calor tridimensional. Esta melhoria traduz-se em queda substancial de sensibilidade a impacto, quantificada por H₅₀, sem comprometer energia de detonação. A correlação empírica entre k e sensibilidade ressalta papel fundamental de gestão térmica em segurança de explosivos. Trabalhos futuros explorarão razões ótimas rGO:CNT para equilibrar ainda mais desempenho e segurança.

Abreviações

CFRP

Plástico reforçado com fibra de carbono

CL-20

2,4,6,8,10,12-Hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitano

CNT

Nanotubo de carbono

DSC

Calorímetro exploratório diferencial

GNP

Nanoplateletes de grafeno

H₅₀

Altura especial

HMX

1,3,5,7-Teranitro-1,3,5,7-tetrazocina

PBX

Explosivo ligado por polímero

RDX

Hexahidro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazina

rGO

Óxido de grafeno reduzido

SEM

Microscopia eletrônica de varredura

SWNT

Nanotubo de carbono de parede única

VDW

Força de van der Waals

XRD

Difração de raios X