Mejora de la seguridad del CL-20: Reducción de sensibilidad al impacto mediante conductividad térmica asistida por nanomateriales de carbono

Resumen

En este estudio, óxido de grafeno reducido (rGO) y nanotubos de carbono (CNT) se incorporaron en compuestos de CL-20 como rellenos conductores para aumentar conductividad térmica. Microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de rayos X (XRD) revelaron una red tridimensional de conducción de calor uniforme cuando rGO y CNT se combinaron al 1 % en peso. Calorimetría diferencial de barrido (DSC), pruebas de electricidad estática, mediciones de altura especial, difusividad térmica y experimentos de velocidad de detonación demostraron que el relleno sinérgico no solo mejoró transferencia de calor sino que también redujo marcadamente sensibilidad al impacto, preservando el rendimiento energético del explosivo.

Antecedentes

CL-20 (2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitano) ofrece densidad y densidad energética superiores comparado con explosivos tradicionales como RDX y HMX. Su alta sensibilidad, sin embargo, proviene de pobre conductividad térmica, que promueve formación de puntos calientes durante fluctuaciones rápidas de temperatura y pone en riesgo fiabilidad de sistemas de armas. Abordar esta limitación es crítico para aplicaciones seguras de alto rendimiento.

Recubrimientos poliméricos y rellenos de grafito se han empleado largo tiempo para mejorar robustez mecánica y térmica de cristales energéticos. Consenso reciente favorece uso de nano-rellenos basados en carbono —nanoplaquetas de grafeno, CNT y materiales relacionados— para crear vías térmicas eficientes en compuestos poliméricos. Estos nanomateriales poseen conductividad térmica in-plano excepcional y altas relaciones de aspecto, permitiendo formación de redes continuas de transferencia de calor de baja resistencia.

Mientras la red bidimensional de grafeno ofrece gran camino libre medio de fonones y alta movilidad electrónica, interacciones de van der Waals entre capas a menudo impiden flujo de calor transversal. Los CNT, por contraste, proporcionan puentes unidimensionales que pueden enlazar láminas de grafeno y partículas de explosivo, reduciendo resistencia térmica interfacial y formando red tridimensional. Así, se anticipa que una mezcla sinérgica de rGO y CNT entregue conductividad térmica superior y, consecuentemente, sensibilidad al impacto reducida.

Este trabajo explora efecto combinado de rGO y CNT en compuestos de CL-20, caracterizando microestructura, comportamiento térmico, sensibilidad y rendimiento de detonación, y elucidando mecanismos subyacentes de transferencia de calor.

Métodos

Síntesis de Compuestos Nanométricos CL-20/Material de Carbono

Compuestos de CL-20 se fabricaron vía ruta de suspensión acuosa (Fig. 1). Estane (3 % p/p en 1,2-dicloroetano) sirvió como matriz aglutinante. rGO, CNT o mezcla rGO:CNT 2:1 (SWCNT) se dispersaron en solución de aglutinante por agitación ultrasónica. Separadamente, 20 g CL-20 molido se suspendieron en 200 mL agua desionizada bajo agitación magnética. La solución de aglutinante se añadió lentamente a suspensión de CL-20, y la mezcla se calentó a 70 °C bajo 0,02 MPa presión para remover solvente. Tras enfriar, el compuesto se filtró, lavó y evaporó al vacío para obtener producto final. Muestras se etiquetaron como CL-20/Estane (1), CL-20/rGO (2), CL-20/CNT (3), y CL-20/rGO + CNT (4).

Diagrama experimental de compuestos basados en CL-20 preparados por método de suspensión acuosa

Caracterización

SEM (SU-8020, Hitachi) capturó morfología superficial y distribución de tamaño de partícula. XRD (DX-2700, Dan Dong Hao Yuan) evaluó estructura cristalina usando radiación Cu-Kα (40 kV, 30 mA). DSC (DSC-131, Setaram) evaluó descomposición térmica bajo flujo de nitrógeno (30 mL min⁻¹) con tasas de calentamiento 5-20 K min⁻¹. Acumulación de electricidad estática se midió induciendo fricción en tobogán y registrando carga con medidor digital; carga por unidad de masa cuantificó acumulación electrostática. Sensibilidad al impacto siguió GJB 772A-97 (martillo de caída tipo 12) para determinar altura de probabilidad 50 % (H₅₀). Difusividad térmica se obtuvo via análisis flash láser en discos 10 mm × 2 mm, y conductividad térmica (k) calculada de fórmula estándar. Velocidad de detonación se midió con sonda de tiempo de vuelo, y valores teóricos se calcularon usando EXPLO5.

Resultados y Discusión

Características de Microestructura

Imágenes SEM (Fig. 2) muestran CL-20 crudo como partículas huso ~300 µm (2a). Molienda con bolas redujo tamaño a ~200 nm (2b). Láminas rGO (~2 µm, cinco capas) y CNT formaron ensamblajes entrelazados (2c). En compuestos CL-20/CNT, CNT tendieron a aglomerar, deteriorando transferencia de calor (2d, e). Por el contrario, mezcla rGO + CNT mostró dispersión uniforme sin aglomerados discernibles (2f), indicando sinergia efectiva.

Morfologías SEM de CL-20, mezcla rGO y CNT, y compuestos basados en CL-20: a CL-20 crudo; b CL-20 molido; c rGO + CNT; d, e CL-20/CNT; y f CL-20/rGO + CNT

Patrones XRD (Fig. 3) confirman fase ε de todas las muestras, con posiciones de pico inalteradas pero intensidades reducidas y anchos ensanchados debido a recubrimiento de nano-relleno y efectos de tamaño de partícula.

Patrones de difracción de rayos X de muestras

Análisis Térmico

Curvas DSC (Fig. 4) revelan pico exotérmico a 242 °C para CL-20 crudo, característico de descomposición explosiva. Muestras recubiertas exhiben formas de pico similares pero desplazamiento ~2 °C en mezcla rGO + CNT, indicando compatibilidad superior. Inicio de descomposición más temprano para todos los compuestos sugiere actividad catalítica de nano-rellenos. Adición de CNT reduce entalpía de descomposición de -2384,95 a -779,82 J g⁻¹, potencialmente disminuyendo calor explosivo; rGO modera este efecto, produciendo -1897,80 J g⁻¹ balanceado. Por tanto, contenido de CNT debe controlarse cuidadosamente para preservar rendimiento energético.

Curvas DSC de muestras

Análisis de Sensibilidad

Sensibilidad al impacto, cuantificada por H₅₀, mejoró dramáticamente de 17,3 cm (CL-20 crudo) a 65,8, 50,3 y 68,7 cm para muestras 2, 3 y 4, respectivamente. El recubrimiento denso y térmicamente conductor formado por rGO y CNT suprime generación de puntos calientes y disipa energía mecánica eficientemente, reduciendo sensibilidad. Pruebas de electricidad estática (Fig. 6) confirman acumulación de carga reducida para todos los compuestos, con mezcla rGO + CNT mostrando valores más bajos, atribuible a capacidad de disipación de carga de CNT.

Sensibilidad al impacto de muestras

Acumulación de electricidad estática de muestras

Análisis de Conductividad Térmica

Medida a 25 °C, CL-20 crudo exhibe 0,143 W m⁻¹ K⁻¹. Recubrimiento con 1 % p/p rGO + CNT aumenta conductividad a 0,64 W m⁻¹ K⁻¹ —4,5× la base— mientras rGO o CNT solos entregan ganancias menores. Las altas conductividades intrínsecas de rGO y CNT, combinadas con su sinergia interfacial, establecen red continua de transferencia de calor tridimensional que minimiza resistencia interlaminar. Un esquema (Fig. 7) ilustra CNT puentes entre láminas rGO y partículas CL-20, creando numerosas vías de fonones y maximizando contacto superficial.

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

Regresión lineal (Fig. 8) demuestra clara relación inversa entre conductividad térmica y sensibilidad al impacto: a medida que k aumenta, H₅₀ sube, confirmando que mayor conductividad térmica suprime formación de puntos calientes e ignición mecánica. Ajuste empírico y = 85,62527 − 101,06403 exp(−x/0,35142) captura esta tendencia, donde x es k (W m⁻¹ K⁻¹) y y es H₅₀ (cm).

Diagrama de relación entre conductividad térmica y altura especial

Rendimiento de Detonación

Parámetros de detonación teóricos (EXPLO5) y velocidades medidas para CL-20 crudo y compuestos se resumen en Tabla 2. Si bien velocidades reales son ligeramente inferiores a predicciones teóricas —atribuible a factores ambientales e instrumentales— la inclusión de CNT solo reduce velocidad ~200 m s⁻¹, mientras mezcla rGO + CNT retiene rendimiento comparable al material base. Así, el relleno sinérgico preserva producción energética mientras mejora seguridad.

Conclusiones

Incorporar rGO y CNT en CL-20 eleva marcadamente conductividad térmica, formando red robusta de transferencia de calor tridimensional. Esta mejora se traduce en caída sustancial de sensibilidad al impacto, cuantificada por H₅₀, sin comprometer energía de detonación. La correlación empírica entre k y sensibilidad subraya papel crucial de gestión térmica en seguridad de explosivos. Trabajos futuros explorarán proporciones óptimas rGO:CNT para balancear aún más rendimiento y seguridad.

Abreviaturas

CFRP

Plástico reforzado con 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 diferencial de barrido

GNP

Nanoplaquetas de grafeno

H₅₀

Altura especial

HMX

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

PBX

Explosivo aglomerado con polímero

RDX

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

rGO

Óxido de grafeno reducido

SEM

Microscopía electrónica de barrido

SWNT

Nanotubo de carbono de pared simple

VDW

Fuerza de van der Waals

XRD

Difracción de rayos X