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新型火炸藥：高能量密度材料

2015-11-19 16:02  來(lái)源： 科普中國(guó)

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高能量密度材料是指能量密度高于最佳制式含能材料（如RDX、HMX）15%～20%以上的一類新型含能材料技術(shù)，是陸、海、空諸軍種各類武器系統(tǒng)必不可少的威力和動(dòng)力能源材料技術(shù)，主要包括CL-20、二硝酰胺銨（ADN）、三硝基氮雜環(huán)丁烷（TNAZ）、八硝基立方烷、呋咱類、全氮材料等高能量密度化合物的分子設(shè)計(jì)、合成及制備技術(shù)等。

CL-20的能量為1.8倍TNT當(dāng)量，密度2.04 g/cm3，爆速9.4km/s，爆壓為42.0 GPa；ADN的密度為1.81 g/cm3，爆速8.1km/s，爆壓為23.72 GPa；TNAZ的密度為1.84 g/cm3，爆速9.0km/s，爆壓為36.37 GPa；八硝基立方烷現(xiàn)已被證實(shí)是目前威力最大的常規(guī)碳?xì)涞躅愓ㄋ帲芏瓤蛇_(dá)1.9～2.2g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)生成焓達(dá)+340～600kJ/mol，爆速和爆壓分別達(dá)10.1km/s和50.0GPa，比HMX高15%～30%，能量甚至超過(guò)CL-20。N5+屬于非碳?xì)涞躅惛吣芰棵芏然衔�，能量約為2倍TNT當(dāng)量，，密度為1.85 g/cm3，爆速12.51km/s，爆壓為73.95 GPa。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，高能量密度材料技術(shù)備受各國(guó)重視，美國(guó)國(guó)防部從1990年就開(kāi)始把它列為一項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)的國(guó)防關(guān)鍵技術(shù)和前沿技術(shù)。

1987年，美國(guó)首先合成出了CL-20，這被國(guó)際火炸藥界譽(yù)為“炸藥合成史上的一個(gè)重大突破”；2002年，美國(guó)建成年產(chǎn)22.5噸的CL-20中試線；20世紀(jì)90年代，美國(guó)開(kāi)始研制CL-20基火炸藥配方，現(xiàn)已成功推出LX-19、PAX-12、PAX-11、PAX-29、DLE-C038和PBXW-16等多種CL-20基高能炸藥。

幾種高能量密度材料分子結(jié)構(gòu)

1971年，前蘇聯(lián)采用氨基丙腈法首次合成出ADN；20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)建立了年產(chǎn)千噸的ADN工廠；1996年，瑞典博福斯公司（現(xiàn)為歐洲含能材料公司）采用混酸法實(shí)現(xiàn)了ADN工藝放大并開(kāi)始生產(chǎn)ADN并向世界各國(guó)50余家科研機(jī)構(gòu)或公司提供過(guò)樣品；2004年，瑞典建立了ADN工業(yè)化生產(chǎn)能力，年產(chǎn)量為10噸，2005年達(dá)到25噸。

1984年，美國(guó)Fluorochem公司Archibad等人通過(guò)二硝基氮雜環(huán)丁烷-特丁基鹽或1-特丁基-3,3-二硝基氮雜環(huán)丁烷中間體首次合成出TNAZ（稱為Fluorochem合成法）；20世紀(jì)90年代，美國(guó)陸軍武器研究發(fā)展與工程中心開(kāi)始對(duì)Fluorochem公司開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生產(chǎn)方法進(jìn)行了放大，準(zhǔn)備把TNAZ用作美國(guó)陸軍和空軍特需的高能低易損性彈藥的候選炸藥裝藥中；2001年，美國(guó)實(shí)現(xiàn)TNAZ中試生產(chǎn)并開(kāi)始研制TNAZ基火炸藥新配方。

2000年，美國(guó)芝加哥大學(xué)M.X.Zhang等人首次合成出八硝基立方烷ONC。

1998年，美國(guó)Karl O.Christe等人成功地制得了以多氮形式存在的N5+，這極大地推動(dòng)了多氮化合物研究領(lǐng)域的發(fā)展，世界多家量子化學(xué)研究所先后對(duì)N4、N6、N8、N10、N12和N60等有前景的全氮化合物進(jìn)行了大量的理論計(jì)算與預(yù)測(cè)，以探究這類超高能量材料存在的可能性。2012年，德國(guó)慕尼黑大學(xué)新合成出高能富氮化合物——5,5′-聯(lián)四唑-1,1′-二氧化物二羥銨（代號(hào)為T(mén)KX50），爆轟性能優(yōu)于奧克托今且接近CL-20，爆速達(dá)9.698km/s。

能量密度材料的爆照效果非常驚人

高能量密度材料的主要用途是制作高能炸藥、發(fā)射藥和推進(jìn)劑，俄羅斯已將ADN應(yīng)用于SS-24、SS-27等白楊系列戰(zhàn)略導(dǎo)彈，CL-20、全氮材料等高能量密度材料有望應(yīng)用于小直徑炸彈、高價(jià)值戰(zhàn)斗部、高效毀傷戰(zhàn)斗部及遠(yuǎn)程戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等中。

未來(lái)，高能量密度材料技術(shù)將朝綠色、高能、低成本化方向發(fā)展。除了已經(jīng)在制備技術(shù)、配方和應(yīng)用研究中進(jìn)行過(guò)大量研究的CL-20、TNAZ、ADN之外，未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的高能密度材料還包括全氮材料、高氮/富氮化合物等，將把全氮材料作為最重要的新型含能材料加以系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；同時(shí)，探索性能更優(yōu)的CL-20基高性能火炸藥新配方，開(kāi)發(fā)CL-20的低成本、綠色合成新路線，以及CL-20基高性能火炸藥在武器裝備上的推廣應(yīng)用；加快研制ADN基高能固體推進(jìn)劑新配方及在裝備上應(yīng)用。

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作者： 彭翠枝   [責(zé)任編輯: 呂芮光]

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