第1章 簡介

1.1 含能材料

1.1.1 定義

含能材料是指具有高生成焓，且在熱、撞擊、沖擊、火花等外界刺激下能在極短的時間內（通常小于0.01秒）發生化學反應，通過放熱轉化并釋放分子結構中儲存的化學能，同時產生大量氣體的物質。由于反應迅速，氣態產物無法立刻膨脹，只能被限制在爆室內，在爆炸瞬間可產生數千個大氣壓的高壓和數千攝氏度的高溫。目前，已有進一步的實驗證明，若在狹小的燃燒室內放出該數量級的熱量，可產生數千個標準大氣壓的壓力，其能量足以沖破屏障，導致毀滅性的結果。值得注意的是，在狹小空間內爆炸產生的高壓沖擊普遍高出一般環境下產生的高壓沖擊多個數量級。

多數含能材料的分子結構內氮氧含量高（NO, NO2或NO3基團），同時還含有碳氫等可氧化物作為“燃料”。不過也存在一些例外：某些含能材料的分子結構中不含氧元素，如金屬疊氮物（Mn+（N3）n）；部分含氮化合物如三碘化氮（NI3）。反應時易爆的分子結構會首先分解為原子形態，再形成穩定的分子結構，如圖1.1所示反應方程式。爆炸產生的凈能量等于分子的解離能減去產生氣體的釋放能。產物的性質很大程度上取決于反應時的氧含量（分子內或周圍環境的含氧量），極少受爆炸過程中含氧化合物（C/CO/CO2）的影響。

1.1.2 分類

廣義上，含能材料可分為三類：煙火劑、推進劑（包含氣體的發生裝置）、炸藥。煙火劑燃燒時肉眼可見，亮度各不相同，產生有色煙霧，發出雜聲，或發出明亮的光。推進劑，如高氯酸銨[NH4ClO4]，由于分子中含有燃燒所需的氧元素，因而燃燒速度遠快于煙火劑，燃燒更為劇烈，產生火星或火焰，并伴有嘶嘶聲或噼啪聲，但達不到爆炸的程度。推進劑燃燒可產生大量高熱氣體，因此它常被作為推進式設備（小至子彈大至航天器[1]）的燃料。而炸藥又可進一步細分為起爆藥和猛炸藥。

起爆藥易受外界能量（如溫度和沖擊）激發而發生爆炸并產生強烈的爆轟波。由于起爆藥爆轟時間短，且受熱穩定性、吸濕性、保質期等性質的限制，因此在實際應用中它主要用于引爆猛炸藥而非作為主炸藥[2]。雷酸鹽、收斂酸鹽等金屬疊氮物的化學結構如圖1.2所示，通常雷管中使用的就是收斂酸鉛或疊氮化鉛。近年來，由于含鉛炸藥在短時間內會釋放大量有毒、有害物質，因此研究人員開始把研究重心轉移到開發“綠色清潔起爆藥”上[3]。但要找到一種既可以提高爆炸性能，又能確保其物理、化學性能的穩定性，同時還要能避免產生有毒重金屬或高氯酸鹽鉛的替代物，研究難度較大，因此進展緩慢[4]。

猛炸藥（也叫烈性炸藥）與起爆藥不同，其熱感度和沖擊感度較低，具有一定的穩定性，需要依靠起爆藥才能激發爆轟。而猛炸藥一旦起爆，就會產生范圍更廣、更劇烈的爆炸。

與起爆藥相比，猛炸藥雖然種類較多，但大多數均含有硝基基團，因此性質與起爆藥相似，其中最具代表性的含硝基猛炸藥為TNT[三硝基甲苯，分子結構如圖1.3（a）]。TNT最早于20世紀初被合成，用來替代三硝基苯酚[又稱苦味酸，分子結構如圖1.3（b）]。苦味酸曾是十九世紀最常用的軍用炸藥，但其感度較高、制造過程危險，因此促使了TNT的問世。第一次世界大戰之后，研究人員開始研究威力更大的炸藥，因此，以RDX和HMX為主的新型炸藥不斷問世，且至今仍被廣泛運用于各類軍備，其分子結構如圖1.3（c）和1.3（d）。

近年來，炸藥配方研究進展迅速，CL-20和八硝基立方烷等多環化合物相繼被研發、應用（如圖1.4）。CL-20的固有應變和高能、高密度特性使爆炸性能超過了HMX[5]，且其感度也高于HMX。此外，人們普遍認為硝基立方烷是目前威力最大的人造炸藥。Eaton等人成功研制出一系列多硝基立方烷，但由于其合成工藝復雜，原料成本過高（每千克40000美元，2000年標準），導致該系列炸藥的爆炸性能沒有經過全面的測試，也沒有及時投入到軍備生產中[6]。

目前，對提高含能材料的爆炸性能、降低含能材料感度以避免發生意外爆炸的研究不斷拓展。其中，3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮（NTO）為雜環化合物，具有高能量、低感度的特點。FOX-7（1, 1-二氨基-2,2-二硝基乙烯）爆速與RDX相當，但由于其晶體結構中氫鍵結合穩定[7]，因此其感度大大降低。NTO和FOX-7的分子式如圖1.5所示。目前，人們開始探尋爆炸后不產生溫室氣體的含能材料，催生了一系列“環保型”炸藥的探索與研發。雖然這一理念似乎與炸藥的定義相矛盾，但由于國際公約對炸藥和炸藥爆炸產物有嚴格管控，越來越多的研究人員開始將目光轉向“環保型”炸藥這一研究領域。

近年來Agrawal[8], Pagoria等人[9]和Badgujar等人[10]對新型含能材料進行了深入研究和充分論述。

1.1.3 含能性

含能材料在正式列裝前，必須對其爆炸性能和可重復性進行充分評估。能量的制約因素主要有：感度（撞擊、摩擦、沖擊、靜電等）、爆速（即沖擊波穿透爆破物的速度）、熱穩定性、晶型[11]。由于含能材料在正式裝藥時所占的體積越少越好，因此，晶體密度也是評估材料性能的重要因素之一。此外，爆速也與晶體密度成正比[1]，因此通常使用含能材料實測密度（或新材料計算密度）來作為爆炸性能的參考指標。

含能材料的固體晶型對其各種爆炸性能的影響很大，會極大程度地影響其爆炸性和再現性[12]。這一影響在含能材料自身的多晶型上表現得尤為明顯。