第1章 简介

1.1 含能材料

1.1.1 定义

含能材料是指具有高生成焓，且在热、撞击、冲击、火花等外界刺激下能在极短的时间内（通常小于0.01秒）发生化学反应，通过放热转化并释放分子结构中储存的化学能，同时产生大量气体的物质。由于反应迅速，气态产物无法立刻膨胀，只能被限制在爆室内，在爆炸瞬间可产生数千个大气压的高压和数千摄氏度的高温。目前，已有进一步的实验证明，若在狭小的燃烧室内放出该数量级的热量，可产生数千个标准大气压的压力，其能量足以冲破屏障，导致毁灭性的结果。值得注意的是，在狭小空间内爆炸产生的高压冲击普遍高出一般环境下产生的高压冲击多个数量级。

多数含能材料的分子结构内氮氧含量高（NO, NO2或NO3基团），同时还含有碳氢等可氧化物作为“燃料”。不过也存在一些例外：某些含能材料的分子结构中不含氧元素，如金属叠氮物（Mn+（N3）n）；部分含氮化合物如三碘化氮（NI3）。反应时易爆的分子结构会首先分解为原子形态，再形成稳定的分子结构，如图1.1所示反应方程式。爆炸产生的净能量等于分子的解离能减去产生气体的释放能。产物的性质很大程度上取决于反应时的氧含量（分子内或周围环境的含氧量），极少受爆炸过程中含氧化合物（C/CO/CO2）的影响。

图1.1 RDX的爆炸过程及其产物

1.1.2 分类

广义上，含能材料可分为三类：烟火剂、推进剂（包含气体的发生装置）、炸药。烟火剂燃烧时肉眼可见，亮度各不相同，产生有色烟雾，发出杂声，或发出明亮的光。推进剂，如高氯酸铵[NH4ClO4]，由于分子中含有燃烧所需的氧元素，因而燃烧速度远快于烟火剂，燃烧更为剧烈，产生火星或火焰，并伴有嘶嘶声或噼啪声，但达不到爆炸的程度。推进剂燃烧可产生大量高热气体，因此它常被作为推进式设备（小至子弹大至航天器[1]）的燃料。而炸药又可进一步细分为起爆药和猛炸药。

起爆药易受外界能量（如温度和冲击）激发而发生爆炸并产生强烈的爆轰波。由于起爆药爆轰时间短，且受热稳定性、吸湿性、保质期等性质的限制，因此在实际应用中它主要用于引爆猛炸药而非作为主炸药[2]。雷酸盐、收敛酸盐等金属叠氮物的化学结构如图1.2所示，通常雷管中使用的就是收敛酸铅或叠氮化铅。近年来，由于含铅炸药在短时间内会释放大量有毒、有害物质，因此研究人员开始把研究重心转移到开发“绿色清洁起爆药”上[3]。但要找到一种既可以提高爆炸性能，又能确保其物理、化学性能的稳定性，同时还要能避免产生有毒重金属或高氯酸盐铅的替代物，研究难度较大，因此进展缓慢[4]。

图1.2 常见起爆药：雷酸汞，收敛酸铅

猛炸药（也叫烈性炸药）与起爆药不同，其热感度和冲击感度较低，具有一定的稳定性，需要依靠起爆药才能激发爆轰。而猛炸药一旦起爆，就会产生范围更广、更剧烈的爆炸。

与起爆药相比，猛炸药虽然种类较多，但大多数均含有硝基基团，因此性质与起爆药相似，其中最具代表性的含硝基猛炸药为TNT[三硝基甲苯，分子结构如图1.3（a）]。TNT最早于20世纪初被合成，用来替代三硝基苯酚[又称苦味酸，分子结构如图1.3（b）]。苦味酸曾是十九世纪最常用的军用炸药，但其感度较高、制造过程危险，因此促使了TNT的问世。第一次世界大战之后，研究人员开始研究威力更大的炸药，因此，以RDX和HMX为主的新型炸药不断问世，且至今仍被广泛运用于各类军备，其分子结构如图1.3（c）和1.3（d）。

图1.3 （a）为TNT（三硝基甲苯）分子式；（b）为苦味酸（三硝基苯酚），其分子易发生置换反应；（c）和（d）分别为RDX和HMX分子式

近年来，炸药配方研究进展迅速，CL-20和八硝基立方烷等多环化合物相继被研发、应用（如图1.4）。CL-20的固有应变和高能、高密度特性使爆炸性能超过了HMX[5]，且其感度也高于HMX。此外，人们普遍认为硝基立方烷是目前威力最大的人造炸药。Eaton等人成功研制出一系列多硝基立方烷，但由于其合成工艺复杂，原料成本过高（每千克40000美元，2000年标准），导致该系列炸药的爆炸性能没有经过全面的测试，也没有及时投入到军备生产中[6]。

图1.4 高能多环化合物：（a）为CL-20；（b）为八硝基立方烷

目前，对提高含能材料的爆炸性能、降低含能材料感度以避免发生意外爆炸的研究不断拓展。其中，3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮（NTO）为杂环化合物，具有高能量、低感度的特点。FOX-7（1, 1-二氨基-2,2-二硝基乙烯）爆速与RDX相当，但由于其晶体结构中氢键结合稳定[7]，因此其感度大大降低。NTO和FOX-7的分子式如图1.5所示。目前，人们开始探寻爆炸后不产生温室气体的含能材料，催生了一系列“环保型”炸药的探索与研发。虽然这一理念似乎与炸药的定义相矛盾，但由于国际公约对炸药和炸药爆炸产物有严格管控，越来越多的研究人员开始将目光转向“环保型”炸药这一研究领域。

图1.5 钝感材料NTO和FOX-7的分子结构

近年来Agrawal[8], Pagoria等人[9]和Badgujar等人[10]对新型含能材料进行了深入研究和充分论述。

1.1.3 含能性

含能材料在正式列装前，必须对其爆炸性能和可重复性进行充分评估。能量的制约因素主要有：感度（撞击、摩擦、冲击、静电等）、爆速（即冲击波穿透爆破物的速度）、热稳定性、晶型[11]。由于含能材料在正式装药时所占的体积越少越好，因此，晶体密度也是评估材料性能的重要因素之一。此外，爆速也与晶体密度成正比[1]，因此通常使用含能材料实测密度（或新材料计算密度）来作为爆炸性能的参考指标。

含能材料的固体晶型对其各种爆炸性能的影响很大，会极大程度地影响其爆炸性和再现性[12]。这一影响在含能材料自身的多晶型上表现得尤为明显。