含能材料的未来

自1867年诺贝尔发明以代那买特炸药形式使用硝化甘油以来，在高能材料性能的提高、感度的降低方面取得了很大的进展（图12.1）。但是现役的大多含能材料组分及配方已超过50年，并且考虑其性能、间接伤害、钝感程度、毒性和环境的降解能力及特殊环境下的应用，不能满足当今需求。

含能材料主要应用在爆炸和推进药剂领域。正如先前讨论过的，有很多参数决定了爆炸和推进的性能，并且在新型含能材料开发中是十分重要的。这其中包括高密度（ρ，相比于推进剂在炸药中更为重要）、好的氧平衡（Ω）、高爆温和燃烧温度（推进剂不涉及）。但是适合用作猛炸爆的物质并不总是能够用作推进剂，反之亦然。炸药的性能，特别受到爆热（Q C-J）、爆压（p C-J）、爆速（D）的影响。而高效的火箭推进剂要求有一个大的比冲（I sp）和推力（F）。对于推进装药，除了一个高的比冲、高冲击力（f）、低的燃烧温度外，也期望反应产物中有尽可能高的N2/CO比。

考虑到用爆热（Q C-J）、爆压（p C-J）、爆速（D）作为炸药的性能的衡量指标，图12.1展示了自从硝化甘油发明以来的巨大进展。

图12.1　炸药性能（爆热Q，爆速D，爆压p C-J）

尽管取得了这些进展，显著提升了基于硝基化合物或硝酸酯的传统CHON体系，但提升炸药性能似乎充满困难，这主要因为传统炸药受到下面这3个限制（表12.1）：

——它们没有足够的氮含量（含氮量＜60%）；

——氧平衡总是负很多；

——为了达到好的氧平衡效果，必须把不同炸药混合使用。

表12.1　一些传统炸药的含氮量和氧平衡

更多的近期关于富氮分子（含氮量＞60%）的研究已经表明，与其C-类似物相比，其具有高得多的正的生成焓，故这些化合物通常具有更高的能量。第一代富氮组分，如偶氮四唑肼盐（HZT）和偶氮四唑三氨基胍盐（TAGZT）（图12.2），由于其低腐蚀性，已经使人们产生了将其用作推进剂装药组分的兴趣，然而，由于其糟糕的氧平衡，它们不适合做高能炸药（表12.2）。

图12.2　偶氮四唑肼盐（HZT）和偶氮四唑三氨基胍盐（TAGZT）化学结构

表12.2　第一代和第二代富氮化合物的含氮量和氧平衡

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第二代富氮炸药的引入彻底改变了这一问题，这些炸药具有很强的氧化基团和几乎接近零氧平衡。该类化合物的代表为：二硝酰胺的三氨基胍盐（TAG-DN）和二硝酰胺的氨基四唑盐（HAT-DN）（图12.3，表12.2）［64，65］。

图12.3　二硝酰胺的三氨基胍盐（TAG-DN）和二硝酰胺的氨基四唑盐（HAT-DN）的结构

正因如此，TAG-DN和HAT-DN成为炸药的良好候选物，而且其具有出色的氧平衡，也是火箭推进剂的良好组分。如果比冲增加20 s，其有效载荷或有效射程将增加约100%。AP/Al（70∶30）、HAT-NO3、HAT-DN和TAG-DN的计算比冲如图12.4所示。

图12.4　AP/Al（70∶30）、HAT-NO3、HAT-DN和TAG-DN（在70 bar下等压燃烧）的计算比冲

第二代富氮炸药的爆速计算值不仅优于第一代富氮化合物，以HAT-DN为例，甚至优于RDX和HMX的爆速（图12.5）。

未来可能的发展方向包括（参考表12.3）：

图12.5　经典CHNO体系化合物和富氮炸药的爆速（D）

（1）正氧平衡的富氮组分的金属化；

（2）亚稳态的多聚氮同分异构体的改性；

（3）富氮或多氮配体的金属有机化合物；

（4）具有很好的氧平衡的硼氮化合物；

（5）用—NF2中的氟替代—NO2中的氧；

（6）新的更好的非高氯酸盐氧化剂；

（7）新合成的富能聚合物作为硝化棉的取代物；

（8）更高效的含除剂的F、Cl化合物和过氧化物；

（9）纳米材料（碳纳米管）；

（10）单壁碳纳米管中的N4、N8稳定化方法；

（11）新高能氧化剂（HEDO，图12.6）。

表12.3　研究的未来领域

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图12.6　含能化合物（合成）的先进氧化剂