含能材料（Energetic Material）的前世今生

知識(shí)點(diǎn)

含能材料（Energetic Material）是一類含有爆炸性基團(tuán)或含有氧化劑和可燃物、能獨(dú)立進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并輸出能量的化合物或混合物，是軍用炸藥、發(fā)射藥和火箭推進(jìn)劑配方的重要組成部分。

早期的黑火藥，傳統(tǒng)的硝基炸藥如三硝基甲苯（TNT），硝酸酯炸藥如硝化甘油（NG），硝胺炸藥如黑索金（RDX）和奧克托今（HMX），高密度高氮含量化合物如三硝基氮雜環(huán)丁烷（TNAZ）、六硝基六氮雜異伍茲烷（HNIW/CL-20）、二氨基二硝基乙烯（FOX-7）和八硝基立方烷（ONC），以及高能推進(jìn)劑如聚疊氮縮水甘油醚（GAP）等，都屬于含能材料的范疇。

含能材料目前的研究熱點(diǎn)是超高能含能材料。這種材料是指能量比常規(guī)炸藥（通常為103J/g）高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的新型高能物質(zhì)，能量水平達(dá)到104J/g ~ 105J/g，甚至105J/g以上，比如金屬氫、全氮化合物、高張力鍵能釋放材料（比如納米鋁）等。超高能含能材料因能量驚人而受到越來越多國家的重視，被視為可影響國家安全的戰(zhàn)略性技術(shù)，成為少數(shù)軍事強(qiáng)國構(gòu)建常規(guī)威懾力和實(shí)戰(zhàn)能力的一項(xiàng)重要前沿技術(shù)。美、俄等國均采取積極措施大力發(fā)展超高能含能材料技術(shù)。

比如，美國很早就將含納米鋁的溫壓炸藥裝備巨型空爆炸彈——“炸彈之母”，其爆炸威力相當(dāng)于11噸TNT。早在1998年就獲得了離子型全氮化合物N5+，之后陸續(xù)合成出13種含N5+的鹽類化合物，得到性能更穩(wěn)定的(N5)2SnF6，并推進(jìn)N8、N60等全氮材料的研制工作，其能量密度可達(dá)3~10倍TNT當(dāng)量。在金屬氫方面，2017年，美國哈佛大學(xué)披露，采用金剛石對(duì)頂壓砧技術(shù)在495GPa超高壓、接近絕對(duì)零度的超低溫條件下，制得首個(gè)微米級(jí)固態(tài)金屬氫試樣。

超高能含能材料具有巨大的軍用潛力。以金屬氫為例，其能量密度達(dá)2.16x105J/g，用作炸藥時(shí)，擁有相當(dāng)于50倍TNT炸藥的毀傷能量。不僅毀傷力巨大，還可大幅減少彈藥體積。用作超高能火箭燃料時(shí)，理論推力可達(dá)現(xiàn)有液氫/液氧混合燃料的5倍，有望引發(fā)火箭推進(jìn)技術(shù)革命。用作超導(dǎo)材料時(shí)，可用于研制超導(dǎo)電磁推進(jìn)系統(tǒng)和超導(dǎo)電磁炮。再以全氮化合物為例，既可用作高威力炸藥，毀傷效果相當(dāng)于3~10倍TNT，也可用作高能固體推進(jìn)劑，理論比沖遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的固體推進(jìn)劑，一旦用作武器，將使“全球即時(shí)打擊”和“一擊即毀”成為可能。

正如火藥的發(fā)明和核武器的問世一樣，超高能含能材料將對(duì)軍事變革和戰(zhàn)爭方式產(chǎn)生重大影響。作為當(dāng)前常規(guī)毀傷技術(shù)的制高點(diǎn)，超高能含能材料的發(fā)展及應(yīng)用，將把常規(guī)武器內(nèi)的作戰(zhàn)效能推到極限，使武器裝備迎來重大變革，并將打破現(xiàn)有作戰(zhàn)理念和方式，催生一大批新的軍事理論，從根本上改變戰(zhàn)爭的形態(tài)和作戰(zhàn)樣式，引發(fā)新一輪的軍事變革。

近代中國在含能材料的研發(fā)和應(yīng)用上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后西方，近些年，經(jīng)過國家相關(guān)單位和大量科研人員（比如王澤山院士）的不懈努力，中國開始追趕國際步伐，并出現(xiàn)部分首創(chuàng)性的先進(jìn)含能材料，比如2017年，南京理工大學(xué)胡炳成教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年研究，在全氮陰離子（N5—）研究領(lǐng)域取得了重大突破性進(jìn)展。而現(xiàn)在，高氮含量的簡單金屬鹽（[Co(N5)2(H2O)4]·4H2O）也已經(jīng)被合成出來。在超高能含能材料領(lǐng)域，中國具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>