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含能材料(Energetic Material)的前世今生

知识点

含能材料(Energetic Material)是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、能独立进行化学反应并输出能量的化合物或混合物,是军用炸药、发射药和火箭推进剂配方的重要组成部分。

早期的黑火药,传统的硝基炸药如三硝基甲苯(TNT),硝酸酯炸药如硝化甘油(NG),硝胺炸药如黑索金(RDX)和奥克托今(HMX),高密度高氮含量化合物如三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)、六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW/CL-20)、二氨基二硝基乙烯(FOX-7)和八硝基立方烷(ONC),以及高能推进剂如聚叠氮缩水甘油醚(GAP)等,都属于含能材料的范畴。

含能材料目前的研究热点是超高能含能材料。这种材料是指能量比常规炸药(通常为103J/g)高出至少一个数量级的新型高能物质,能量水平达到104J/g ~ 105J/g,甚至105J/g以上,比如金属氢、全氮化合物、高张力键能释放材料(比如纳米铝)等。超高能含能材料因能量惊人而受到越来越多国家的重视,被视为可影响国家安全的战略性技术,成为少数军事强国构建常规威慑力和实战能力的一项重要前沿技术。美、俄等国均采取积极措施大力发展超高能含能材料技术。

比如,美国很早就将含纳米铝的温压炸药装备巨型空爆炸弹——“炸弹之母”,其爆炸威力相当于11吨TNT。早在1998年就获得了离子型全氮化合物N5+,之后陆续合成出13种含N5+的盐类化合物,得到性能更稳定的(N5)2SnF6,并推进N8、N60等全氮材料的研制工作,其能量密度可达3~10倍TNT当量。在金属氢方面,2017年,美国哈佛大学披露,采用金刚石对顶压砧技术在495GPa超高压、接近绝对零度的超低温条件下,制得首个微米级固态金属氢试样。

超高能含能材料具有巨大的军用潜力。以金属氢为例,其能量密度达2.16x105J/g,用作炸药时,拥有相当于50倍TNT炸药的毁伤能量。不仅毁伤力巨大,还可大幅减少弹药体积。用作超高能火箭燃料时,理论推力可达现有液氢/液氧混合燃料的5倍,有望引发火箭推进技术革命。用作超导材料时,可用于研制超导电磁推进系统和超导电磁炮。再以全氮化合物为例,既可用作高威力炸药,毁伤效果相当于3~10倍TNT,也可用作高能固体推进剂,理论比冲远高于现有的固体推进剂,一旦用作武器,将使“全球即时打击”和“一击即毁”成为可能。

正如火药的发明和核武器的问世一样,超高能含能材料将对军事变革和战争方式产生重大影响。作为当前常规毁伤技术的制高点,超高能含能材料的发展及应用,将把常规武器内的作战效能推到极限,使武器装备迎来重大变革,并将打破现有作战理念和方式,催生一大批新的军事理论,从根本上改变战争的形态和作战样式,引发新一轮的军事变革。

近代中国在含能材料的研发和应用上远远落后西方,近些年,经过国家相关单位和大量科研人员(比如王泽山院士)的不懈努力,中国开始追赶国际步伐,并出现部分首创性的先进含能材料,比如2017年,南京理工大学胡炳成教授团队经过多年研究,在全氮阴离子(N5—)研究领域取得了重大突破性进展。而现在,高氮含量的简单金属盐([Co(N5)2(H2O)4]·4H2O)也已经被合成出来。在超高能含能材料领域,中国具有巨大的发展潜力。


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