超高能含能材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1、超高能含能材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)超高能含能材料是一類(lèi)含有爆炸性基團(tuán)或含有氧化劑和可燃物、能獨(dú)立進(jìn)行快速化學(xué)反應(yīng)并輸出能量的化合物或混和物，其能量比常規(guī)炸藥（通常為103J/g ） 至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)的新型高能物質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)高效毀傷的核心技術(shù)。這種材料在激 發(fā)后，一般不需要外界物質(zhì)參與，即可使化學(xué)反應(yīng)持續(xù)下去，快速釋放出巨大的能 量。它是各類(lèi)武器系統(tǒng)（包括彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈）必不可少的毀傷和動(dòng)力能源 材料，是炸藥、發(fā)射藥和推進(jìn)劑配方的重要組分。 超高能含能材料目前主要分為 兩大類(lèi)：一類(lèi)基于化學(xué)能，能量水平為 104J/g - 105J/g ,如:高能/高釋放率材 料（納米鋁、納米硼、納米多孔硅等高活

2、性?xún)?chǔ)能材料）、全氮物質(zhì)（氮原子簇）、 金屬氫等；另一類(lèi)基于物理能，能量水平在 105J/g以上，如亞穩(wěn)態(tài)核同質(zhì)異能 素、反物質(zhì)材料等.超高能含能材料參與的化學(xué)反應(yīng)具有高速、高壓、高溫反應(yīng) 特征和瞬間一次性效應(yīng)的特點(diǎn)，并釋放大量的熱和氣體。一、國(guó)外研究現(xiàn)狀進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，超高能含能材料因?qū)崿F(xiàn)能量的驚人突破而受到越來(lái)越多國(guó)家 的高度重視.美俄采取積極舉措大力發(fā)展超高能含能材料技術(shù)，并在高活性金屬 儲(chǔ)能材料、全氮物質(zhì)、金屬氫和核同質(zhì)異能素研究上率先取得重大突破.在美俄帶動(dòng)下，德國(guó)、瑞典、印度和日本等國(guó)也紛紛啟動(dòng)相關(guān)發(fā)展計(jì)劃和研究項(xiàng)目，推動(dòng)超高能含能材料的研究與應(yīng)用。高活性金屬儲(chǔ)能材料。美國(guó)不僅研究

3、了納米級(jí)的鋁、鎂、硅、硼等多種高活性?xún)?chǔ)能材料（采用云霧爆轟方式，其能量可達(dá) 5 6倍TNT當(dāng)量），還將含納米鋁的 溫壓炸藥成功裝備成巨型空爆炸彈-“炸彈之母”，其爆炸威力相當(dāng)于11噸 TNT;美國(guó)曾宣布研制的下一個(gè)88噸TNT當(dāng)量（是俄羅斯“炸彈之父”的兩倍） 的高威力巨型炸彈將有可能使用能量水平更高的高活性硼燃料。止匕外，美國(guó)陸軍研究人員還利用納米鋁、硼、硼化鋁和氮化硼納米管等高活性納米金屬燃料積極 開(kāi)發(fā)先進(jìn)高能量密度發(fā)射藥。俄羅斯先后在火炸藥中應(yīng)用了氫化鋁、鋁/氮共生物以及高能離子鹽等超高能含能材料，如威力巨大的巨型炸彈一一“炸彈之父, 就是采用7.1噸含活性金屬高能材料燃燒劑的液態(tài)燃料空

4、氣炸藥 ，爆炸威力達(dá)到 6倍TNT當(dāng)量，是美國(guó)“炸彈之母”的4倍，其威懾力不亞于核武器。全氮材料。美國(guó)于1998年成功獲了離子型全氮化合物 N5,之后陸續(xù)合成出13 種含N5的鹽類(lèi)化合物，得到了性能更穩(wěn)定的全氮材料，其能量密度可達(dá)3-10 倍TNT當(dāng)量；美國(guó)陸軍還投入專(zhuān)用資金研究亞穩(wěn)合金，亞穩(wěn)合金的能量是RDX等常規(guī)炸藥的6倍以上.2009年，美國(guó)陸軍啟動(dòng)了新的聚合氮制備技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目， 研究聚合氮的低成本制備方法及大批量制備工藝技術(shù)；美國(guó)空軍則深層次關(guān)注并 研究聚合氮/納米鋁的界面作用。俄羅斯成功獲得了以氮原子立方體結(jié)構(gòu)存在的 全氮化合物。2009年，俄羅斯科學(xué)研究院致力開(kāi)發(fā)以含 N4、N8、

5、N6O3等聚 合氮為基的推進(jìn)劑配方。德國(guó)聯(lián)邦辦公室、國(guó)家科學(xué)基金均設(shè)立了專(zhuān)門(mén)的研究項(xiàng) 目，重點(diǎn)支持多氮或全氮高能材料的合成和性能研究及核同質(zhì)異能素探索性研 究。印度重點(diǎn)開(kāi)發(fā)新型高能及超高能含能材料，目前在N5離子理論研究及高能 含能材料的合成上取得了重大突破。以色列西伯萊大學(xué)在聚合氮的安定性研究 中，率先發(fā)現(xiàn)了氧原子的加入使 N4、N6、N8等聚合氮穩(wěn)定存在的原因.金屬氫材料。自1935年美國(guó)科學(xué)家首次提出金屬氫概念以來(lái)，美國(guó)在金屬氫的 能量特性、轉(zhuǎn)變壓力、穩(wěn)定性、合成機(jī)理和可行性等方面進(jìn)行了大量理論研究.重點(diǎn)研究了氫的絕緣相和金屬相狀態(tài)方程、結(jié)構(gòu)相變、有序-無(wú)序相變、絕緣一金屬轉(zhuǎn)變以及金屬氫

6、的性質(zhì)。1966年，美國(guó)勞倫斯.利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室成功制 得了固態(tài)金屬氫。2009年，美國(guó)哈佛大學(xué)試驗(yàn)了用液態(tài)氫（或水）稀釋的金屬氫 作為動(dòng)力能源開(kāi)發(fā)的登月發(fā)射器；還成功開(kāi)辟了金屬氫制備的新路徑，利用壓一 熔點(diǎn)關(guān)系曲線使金屬氫制備所需的壓力降到了44GPa左右。核同質(zhì)異能素。美國(guó)國(guó)防部已將超高能含能材料技術(shù)列入發(fā)展中的科學(xué)技術(shù)清單 和軍用關(guān)鍵技術(shù)清單，而且把核同質(zhì)異能素用作高能量密度材料的技術(shù)均視為發(fā) 展中的關(guān)鍵技術(shù)。美國(guó)當(dāng)前重點(diǎn)研究的關(guān)鍵材料技術(shù)是鉛-178 ,可能還包括鉞-187、億一186、包一180和鋅一66等。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)已獲得鉛-178 , 其產(chǎn)量為萬(wàn)分之一克以下，目前正在

7、進(jìn)行鉛-178伽瑪射線武器（即鉛彈）的研制. 與此同時(shí)，美國(guó)勞倫斯.利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室完成了核同質(zhì)異能素用作儲(chǔ)能介質(zhì) 的評(píng)價(jià)，錯(cuò)等核同質(zhì)異能素的生產(chǎn)和能量釋放控制成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。二、超高能含能材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)近些年來(lái)，美俄等國(guó)紛紛推出高能量密度材料發(fā)展計(jì)劃，重點(diǎn)關(guān)注并研究了超高 能新物質(zhì)，產(chǎn)生一大批科研成果，成為超高能含能材料誕生的重要源泉；同時(shí)制 定并落實(shí)各類(lèi)先進(jìn)含能材料研究計(jì)劃，積極支持高能量密度材料、超高能含能材 料技術(shù)的研究與發(fā)展。未來(lái)一二十年，超高能含能材料技術(shù)將呈加速發(fā)展的態(tài)勢(shì) 由于氮原子簇、金屬氫、核同質(zhì)異能素等超高能含能材料具有非常誘人的能量性 能，這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將

8、給常規(guī)毀傷技術(shù)和能力帶來(lái)一場(chǎng)新的重大變革。超 高能含能材料繼續(xù)朝更高能量的方向發(fā)展，即由多氮向高氮、氫合金向金屬氫發(fā)展；能量水平更高的氮原子簇（全氮材料）；金屬氫及金屬氫武器將面臨新的發(fā) 展機(jī)遇；核同質(zhì)異能素的應(yīng)用研究步伐將進(jìn)一步加快； 超細(xì)粒度的納米含能材料 快速發(fā)展.作為一類(lèi)新型能源物質(zhì)在國(guó)防領(lǐng)域新概念武器中的應(yīng)用具有廣闊的應(yīng) 用前景。氮原子簇具高密度、高生成始、超高能量及爆轟產(chǎn)物清潔無(wú)污染，其獨(dú)特的理化 性能、安全性能和爆炸（爆轟）性能等不同于傳統(tǒng)含能材料。氮原子簇貯存的能 量巨大（比常規(guī)含能材料要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)），將有可能成為火箭的理想燃料， N5的推進(jìn)劑的比沖是肌推進(jìn)劑的2-3倍，一

9、旦研制成功，有望使火箭推進(jìn)劑和 炸藥性能取得驚人的突破.核同質(zhì)異能素技術(shù)發(fā)展是超高能材料領(lǐng)域革命性的創(chuàng)新。作為一種新概念能源物 質(zhì)，除用作含能材料外，其潛在的應(yīng)用還包括能量貯存 （核同質(zhì)異能素電池）、 核同質(zhì)異能素武器、先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)、伽瑪射線激光器、爆炸裝置及其它脈沖功率 源等。對(duì)傳統(tǒng)火炸藥的功能助劑進(jìn)行綠色化、無(wú)毒化改造一直備受重視。固態(tài)金屬氫具 有能存儲(chǔ)大量能量、單位體積能量很高和對(duì)環(huán)境零污染的特點(diǎn)，因此，具有重大 的軍用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，如：用于小體積、遠(yuǎn)射程的火箭、導(dǎo)彈和火箭彈 中作為一種高能推進(jìn)劑，每千克固態(tài)金屬氫所產(chǎn)生的推力相當(dāng)于每千克液氫 /液 氧火箭燃料的5倍；作為一種超高能炸藥，用于大規(guī)模殺傷性武器中或用于制造 金屬氫武器，金屬氫的爆炸威力相當(dāng)于相同質(zhì)量 TNT炸藥的25-35倍，是目前威 力最強(qiáng)大的化學(xué)爆炸物.含能材料的感度通常隨能量密度的增大而提高， 然而，當(dāng)其粒度降至