“含能材料”这一术语随着科技的进步而不断丰富和拓展,国内早期的经典文献中实际上并没有含能材料的确切概念,而是以火炸药来统称。国军标爆轰术语(GJB5720-2006 中国人民解放军总装备部)中定义“含能材料”是在一定外界刺激条件下,能够自持地进行快速放热化学反应的化学组成物,通常指火药、炸药和烟火药。王泽山院士在其著作《含能材料概论》(2006,哈尔滨工业大学出版社)中提出了含能材料的内涵:处于亚稳定状态的一类物质,主要化学反应是燃烧和爆炸。兵器科学技术学科认为含能材料是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,主要包括炸药(单质炸药、混合炸药)、发射药和固体推进剂,含能材料技术通常俗称为火炸药技术(《2008-2009兵器科学技术学科发展报告》,中国科学技术出版社,2009)。可以看出,含能材料是储存着大量能量并可在外界刺激下,不依赖外界环境就能以爆炸或燃烧等方式快速释放出能量的特殊材料,包括各种含能化合物和以含能化合物为主要成分的复合含能材料。其中,作为含能材料主体的含能化合物是指在分子内就可以发生氧化-还原反应或自分解反应等,释放出大量热能和气体的单一的化合物,这是火炸药的主要成分,也是常规武器实现“远程打击、高效毁伤”的能量来源,其能量密度、安全特性、制造工艺决定了火炸药的性能和水平。

含能材料作为近代化学发展的结晶,源于中国古代发明的黑火药,推动武器和战争形态从冷兵器跨入热兵器时代; 起步于近代化学的蓬勃发展, 1863年J.威尔勃兰德发明TNT,催生了现代枪炮弹药; 1899年德国人亨宁发明了RDX,有力推动了火箭、导弹等武器诞生,在二战后逐步得到大规模使用,成为现代制导武器的主用含能材料; 1941年,德国科学家在RDX生产中发现了HMX,其爆轰性能比RDX有大幅度提升,得益于二战后全球化工科技的快速发展,成为当下武器装备中综合性能最好的含能材料; 20世纪70年代后,随着安全弹药发展的急需,人们又建立了不敏感含能材料的概念,陆续研制出TATB、LLM-105、TNAZ、NTO、FOX-7等耐热/不敏感化合物; 1987年美国合成出具有笼式分子结构的高能量密度化合物CL-20,成为当前可以批量生产的能量密度最高的含能化合物。1998年美国空军实验室合成出氮五正离子化合物(NC5),2016年我国南京理工大学合成出氮五负离子化合物(NA5),2017年美国哈佛大学宣称获得金属氢,预示了含能材料正在跳出CHON系化合物的新时代,迎来高能物质科学发展的新阶段。

含能材料历史标志性进展见表1。

表1 含能材料发展标志性进展

历史上作为科学技术发展阶段的“代”的划分,一般认为有两个维度:时间的发展与能力的提高。因此含能材料的“划代”主要考虑在时间维度的基础上,以工业化时期以来含能化合物能量发展水平为核心,来规范和指导不同性质与类型的含能材料应用。

第一代含能材料以1863年合成的TNT为标志,并从此以TNT当量为标准来表征含能材料的爆炸性能和弹药战斗部的毁伤威力。

第二代含能材料以RDX、HMX为典型代表,单位体积的化学能约为TNT的1.4～1.6倍,以其为主要成分的炸药装药密度一般不小于1.65g/cm³。

第三代含能材料以CL-20、DNTF等为典型代表,单位体积化学能约为TNT的1.7～1.9倍,以其为主要成分的炸药装药密度一般不小于1.9g/cm³。

第四代含能材料以化学合成方式制备的离子型全氮化合物、共价型全氮化合物和配套的新型氧化剂等组成。其中,离子型化合物以NA5、NC5等为典型代表,共价型化合物以链式氮化物如NL8、NL11等为典型代表,新型氧化剂则以OFN、ODC等为典型代表。其能量主要源于氮-氮键能,能量释放方式发生了重大变化,火炸药应用后的装药密度预计不小于2.0g/cm³。

新一代含能材料以凝聚态物理方式制备的金属氢、高张力键能释放材料等物理化学含能材料和超强氧化剂材料等为典型代表,预计能量及释放特性将发生质变。

英国人罗伯特·波义耳定义了元素,让近代化学从古代炼金术中独立出来; 法国科学家拉瓦锡创建的氧化-还原燃烧理论,英国科学家道尔顿创建的近代原子理论,夯实了近代化学理论基础; NC、NG、PA、TNT等富含硝基的有机材料,逐渐替代黑火药奠定了含能材料发展的基础; 二战后化工科技发展迅猛,RDX、HMX、CL-20等氮硝基化合物逐步得到应用,再次大幅度提升了火炸药的能量水平,火炸药技术得到快速全面发展。从历史沿革我们可以看出:

(1)含能材料的发展与科学发现、技术进步、产业应用密切关联,相互影响、促进,共同遵循“理论-技术-工程”的渐进式发展规律;

(2)用平面环状氮硝基化合物替代碳硝基化合物,用笼型、无氢等氮硝基化合物替代平面环状氮硝基化合物,用全氮(富氮)替代氮硝基类,是含能材料提高能量的主要技术路径;

(3)离子型、共价型全氮化合物等材料科技引领发展,打破了硝基化合物一统天下的格局。未来随着凝聚态物理手段日趋完善,以金属氢、高张力键能释放材料等为重点的新一代含能化合物,将进一步突破火炸药的能量密度水平,实现高能物质科学技术的新飞跃。

肖 川

二〇二二年六月