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新型火炸藥：高能量密度材料

2015-11-19 16:02  來源： 科普中國

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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，是陸、海、空諸軍種各類武器系統(tǒng)必不可少的威力和動力能源材料技術，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計、合成及制備技術等。

CL-20的能量為1.8倍TNT當量，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)已被證實是目前威力最大的常規(guī)碳氫氮氧類炸藥，密度可達1.9～2.2g/cm3，標準生成焓達+340～600kJ/mol，爆速和爆壓分別達10.1km/s和50.0GPa，比HMX高15%～30%，能量甚至超過CL-20。N5+屬于非碳氫氮氧類高能量密度化合物，能量約為2倍TNT當量，，密度為1.85 g/cm3，爆速12.51km/s，爆壓為73.95 GPa。

自20世紀80年代以來，高能量密度材料技術備受各國重視，美國國防部從1990年就開始把它列為一項可以實現(xiàn)的國防關鍵技術和前沿技術。

1987年，美國首先合成出了CL-20，這被國際火炸藥界譽為“炸藥合成史上的一個重大突破”；2002年，美國建成年產(chǎn)22.5噸的CL-20中試線；20世紀90年代，美國開始研制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構

1971年，前蘇聯(lián)采用氨基丙腈法首次合成出ADN；20世紀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）采用混酸法實現(xiàn)了ADN工藝放大并開始生產(chǎn)ADN并向世界各國50余家科研機構或公司提供過樣品；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年達到25噸。

1984年，美國Fluorochem公司Archibad等人通過二硝基氮雜環(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90年代，美國陸軍武器研究發(fā)展與工程中心開始對Fluorochem公司開發(fā)的實驗室規(guī)模生產(chǎn)方法進行了放大，準備把TNAZ用作美國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，美國實現(xiàn)TNAZ中試生產(chǎn)并開始研制TNAZ基火炸藥新配方。

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

1998年，美國Karl O.Christe等人成功地制得了以多氮形式存在的N5+，這極大地推動了多氮化合物研究領域的發(fā)展，世界多家量子化學研究所先后對N4、N6、N8、N10、N12和N60等有前景的全氮化合物進行了大量的理論計算與預測，以探究這類超高能量材料存在的可能性。2012年，德國慕尼黑大學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（代號為TKX50），爆轟性能優(yōu)于奧克托今且接近CL-20，爆速達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)射藥和推進劑，俄羅斯已將ADN應用于SS-24、SS-27等白楊系列戰(zhàn)略導彈，CL-20、全氮材料等高能量密度材料有望應用于小直徑炸彈、高價值戰(zhàn)斗部、高效毀傷戰(zhàn)斗部及遠程戰(zhàn)略戰(zhàn)術導彈等中。

未來，高能量密度材料技術將朝綠色、高能、低成本化方向發(fā)展。除了已經(jīng)在制備技術、配方和應用研究中進行過大量研究的CL-20、TNAZ、ADN之外，未來重點發(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)開發(fā)；同時，探索性能更優(yōu)的CL-20基高性能火炸藥新配方，開發(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用；加快研制ADN基高能固體推進劑新配方及在裝備上應用。

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作者： 彭翠枝   [責任編輯: 呂芮光]

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