含氮类含能材料的研究进展
高氮化合物及其含能材料
高氮化合物及其含能材料作者：李彦军来源：《科技资讯》 2015年第4期李彦军(榆林学院化学与化工学院陕西榆林 719000)摘要:高氮化合物具有热稳定性好、碳氢含量低的特点,在高能材料应用研究中前景广泛,当前这类化合物已成为现代武器中的常用能量载体。
该文主要介绍了高氮化合物及其含能材料在国内外的研究进展状况,对四唑环、四嗪环和呋咱环3类高氮含能化合物进行重点阐述,分别就其合成、性能和应用研究状况进行叙述。
同时探讨了高氮含能化合物在未来军事领域和航空领域的发展前景。
关键词:高氮化合物含能材料发展前景中图分类号:TQ2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)02(a)-0091-01含能材料在历史上的发展进程主要包括四个阶段:一是上世纪初TNT的广泛应用;二是上世纪30年代,以黑索金(RDX)和奥克托今(HMX)为代表的含能材料的应用;三是上世纪中叶以后以钝感炸药TATB为代表的含能材料;四是八十年代以后,含能材料高能阶段,如高能钝(低)感炸药[1]。
高氮含能化合物在分解后可以生成大量的焓,其内部结构实现了碳、氢、氧含量的平衡,具有作为新型含能材料的条件。
1 高氮含能化合物的合成及结构表征1.1 四嗪类高氮化合物的合成四嗪类高氮化合物,其分子表达式为C2H2N4,该类高氮化合物的氮含量为68.3%,碳含量为29.3%,氧含量为2.5%。
从结构上来说,C2H2N4与H·ckel的有关规则相符,其化学性质包括有芳香性。
实际上,C2H2N4的结构与苯环结构相似,即4个叔胺基(N)取代4个次甲基(CH)进而形成稳定的杂环化合物。
在分子取代过程中由于引入了叔胺基,苯环在化学性质上所表现出来的芳香性与碱性都有所提高[2]。
在分子的取代过程中,苯环上的电子云由于经历了一个氮转移的过程,C2H2N4的碳原子其电子云的密度出现较为明显的降低现象,同时有诱导效应的影响作用,进而使得苯环的电子云密度降低到一个低值。
含能材料情况调研
含能材料国内外发展现状与趋势含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、能独立进行快速化学反应并输出能量的化合物或混合物,其能量比常规炸药通常为103J/g至少高一个数量级,是实现高效毁伤的核心技术.这种材料在激发后,一般不需要外界物质参与,即可使化学反应持续下去,快速释放出巨大的能量.它是各类武器系统包括弹道导弹和巡航导弹必不可少的毁伤和动力能源材料,是炸药,发射药和推进剂配方的重要组分.按照应用领域的不同,将含能材料分为军用和民用两大类,军用领域主要是火炸药和火工品,包括发射药、推进剂、炸药、烟火剂、起爆药等；民用领域主要是用于开矿、土建、油田、地质勘探、爆炸加工、烟花爆竹的炸药和烟火剂等.目前,习惯上也将含能材料称为高能量密度物质HEDM,它具有高能、低烧蚀、低特征信号、低易损性的性能特点,常用浇铸、压装等工艺进行制备.进入21世纪以来,含能材料因实现能量的惊人突破而受到越来越多国家的高度重视.美俄采取积极举措大力发展含能材料技术,在高活性金属储能技术、全氮物质、金属氢和核同质异能素研究上取得了重大突破.在美、俄的带领下,德国、瑞典、印度和日本等国也纷纷启动相关发展计划和研究项目,推动含能材料的研究与应用.1本学科最新研究进展1.1含能材料相关理论和计算机模拟仿真技术注意采用量子化学方法和QSPR模型通过对关注的芳烃类、唑类、富氮类、嗪类等高能量密度化合物HEDC的密度、生成热、能量、稳定性、爆速、爆压等关键性能参数进行预估和分析,以此指导其合成.开发了基于配方组分数据库的发射药和固体推进剂专家系统,便于进行其能量示性数的准确计算和配方的优化设计.建立了低温感组合装药的内弹道模型,开发了可逆的装药设计仿真软件,从而促进低温感装药技术在各类型号中的应用.基于有限元技术开发了熔铸炸药凝固过程数值模拟方法,该法可用于预测装药缩孔、裂纹、疏松等缺陷,指导熔铸炸药配方和工艺的优化设计.在混合炸药能量设计方法上,由过去单纯从化学热力学角度开展设计发展至兼顾化学热力学和化学动力学的设计思路,还重视了炸药能量输出结构与应用环境的匹配,形成了针对空中爆炸、密闭空间爆炸及密实介质中爆炸等的设计方法.1.2高性能含能材料组分配方开展了高能、高强度、低敏感、高燃速等发射药配方研究,开发了相应的优化配方.基于NG/DIANP为混合含能增塑剂、RDX为高能氧化剂开发的高能发射药,在爆温≤3500K时火药力达1275kJ/kg,在30mm火炮的常、低温内弹道试验时,膛内燃烧稳定、正常；开发的硝化棉NC基低敏感发射药和含能热塑性弹性体ETPE基低敏感发射药,火药力分别达到1205kJ/kg和1250kJ/kg,各项感度指标明显优于传统三基发射药；采用添加高燃速功能材料使发射药的正比式燃速系数达到了3mm/sMPa以上,是传统高能发射药的三倍左右,高、低、常温燃烧稳定.开展了提高螺压CMDB推进剂、交联改性双基XLDB推进剂、HTPB推进剂、硝酸酯增塑聚醚NEPE推进剂研究,开发的螺压CMDB推进剂的RDX含量达到50%以上,有效提高了CMDB推进剂的密度与能量,而燃烧压力指数仍维持在n＜；开发的含CL-20的CMDB推进剂配方,在适度控制金属铝粉含量时,可获得的比冲增益.在抗过载炸药、温压炸药、燃料空气炸药、水下炸药、不敏感炸药、基于新型高能材料的炸药和金属化炸药等7类混合炸药配方设计上取得较大进展.如,开发的新型含铝温压炸药,其毁伤作用包含了较强的爆炸冲击波和持续高温的双重效应.开发的含黑索今的复合浇注PBX炸药,密度cm3,爆速5400m/s,爆热在8200kJ/kg以上,作为水下武器系统主装药时,其水下爆炸总能量比TNT提高了一倍以上,比RS211提高了35％以上,综合性能优良,能够满足易损性要求.火工烟火药剂设计研究,重点关注了新型单质起爆药、复合起爆药、点火药、高精度延期药及其性能改进技术.开发的以TiHP/KClO428/72,氟橡胶为粘合剂为组分的新型高能点火药,机械和静电火花感度低、点火稳定、反应较完全；开发的基于锆和高氯酸钾的新型点火药,具有良好的耐高温能力；改良后的黑火药,解决了传统黑火药能量低、输出不稳定、产物腐蚀性强、易潮解失效、静电安全性差等缺陷；研制的自燃箔条诱饵剂,燃烧时可实现与平台相似的光谱辐射特征,大面积布撒时,引燃率可达100%,燃温低于1000℃,对3~5μm和8~14μm两波段探测系统具有明显干扰效果；研发了多种新型烟幕剂,形成了从可见光至近红外、中红外、远红外直至毫米波范围具有遮蔽作用的“多频谱”烟幕剂系列.1.3含能材料合成和制备加工新工艺、新方法和相关新装备发射药制造工艺方面,开发了自动化喷射吸收、剪切压延、双螺杆挤出成型等新工艺,其中剪切压延新工艺实现了吸收药脱水、混合、预塑化以及造粒工艺过程的连续化和自动化；在传统球形药内溶法工艺基础上,研制了基于“包容水”和“溶解水”成孔原理和超临界流体发泡原理的高燃速发射药成型新工艺,利用新工艺制备的内部呈泡沫结构的发射药,其表观燃速大幅提高.在推进剂装药工艺技术方面,发展了加压插管浇注与真空浇注相结合的技术,初步解决了固含量≥88%时药浆浇注困难的问题,有效提高了装药密度.成功研制了连续压延造粒的双螺旋剪切压延机,解决了高固含量改性双基推进剂生产过程中压延塑化困难、易着火燃爆等诸多难题.采用“点击”化学方法进行了GAP和ADN基固体推进剂的制备研究,得到了固含量为72%的推进剂药柱,力学性能较好,证实了“点击”化学在复合固体推进剂中的应用可行性.在炸药工艺技术方面,我国十分重视高能炸药,特别是HEDC的低成本制造技术,取得了不少成果.如在N2O5-HNO3体系中硝解乌洛托品制备RDX,产率从%提高到至%；开发的CL-20无氢解合成路线,降低了CL-20的制备成本,为规模化生产奠定了技术基础；开展了两步法合成CL-20的研究,制备了多种新型异伍兹烷衍生物,相关研究与国际同步；在RDX 球形化、NQ球形化等方面取得长足进展,已形成10-50kg级生产能力.攻克了RDX和HMX晶体形貌、内部缺陷、颗粒密度和粒径大小的控制技术,掌握了高品质RDX和HMX的公斤级制备技术.在HEDC合成方面,我国高度重视嗪类、呋咱类、唑类、胍类等非杂环、富氮含能盐类等化合物的合成研究,成功合成了数十种HEDC.其中成功合成的3,3'-二硝基-4,4'-偶氮二氧化呋咱DNAFO,其密度达cm3,生成焓为667kJ/mol,实测爆速为10km/s.此外,含能材料绿色、安全生产技术的研究与开发也相当活跃,在节能减排、回收利用、污染控制与治理技术、工艺与装备等方面取得了不少成果.1.4含能材料装药和应用技术近五年来,发射药装药技术研究保持活跃,成果丰硕.在突破驱溶、非均等弧厚等关键工艺技术难题基础上,设计并成功制备了具有高增面性的37孔粒状发射药,与现有19孔发射药相比,燃烧增面性提高了5%～12%,配合混合装药技术,明显提高大口径火炮弹道效率和炮口动能.基于同材质包覆技术设计的组合装药,具有优异的低温感效应,应用于大口径火炮时,实现了在不增加、甚至降低最大膛压的工况下明显增加炮口动能,提高了射程和威力.特别是新开发的高渐增性、低温感单元模块装药技术,解决了兼顾小号装药燃尽性和大号装药膛压限制的世界性技术难题.依托这种单元模块组成的变装药,实现了与国外先进的双模块装药相同的覆盖全射程的弹道效果；而由其组成的远程装药,在不使用加长身管和提高膛压的手段的条件下提高火炮射程.如在52倍口径、155mm火炮上的射击结果证明,在不提高膛压的条件下可提高火炮射程20%以上,其性能优于国外最先进的高膛压远程火炮.在推进剂装药技术方面,我国已掌握了单室多推力装药技术,实现了单室双推力、单室三推力和单室四推力装药设计和应用技术.单室多推力装药技术的应用,可在发动机结构不变条件下总冲提高15%以上.在混合炸药装药技术方面,近五年成功开发了几十种造型粉的制备方法,并对相关工艺流程和装备进行了技术升级.在混合炸药装药压制工艺中,新开发的等静压工艺技术,实现了复杂形状炸药件的净成型,从而减少了原材料的损耗.成功研发的精密压装装药技术、爆炸网络装药的浇注工艺、微型爆炸逻辑网络装药的微注射工艺等传爆药装药新方法,满足了新型武器对传爆药装药要求.为适应微小型火工器件的结构要求,在研究气相沉积、原位制造、纳米自组装等技术的基础上,开发了含能薄膜、内嵌复合物、多孔含能基材等火工药剂装药新技术,其成品性能明显优于常规装药.1.5含能材料测试方法和技术基于密闭爆发器燃烧实验,选择恒面燃烧的发射药试样,采用精确的压力测试手段和分段数据处理方法,建立了发射药燃速的精确测试方法,可获得压力指数n随压力p的变化曲线.开发了测量发射药动态力学性能的动态挤压试验装置和模拟膛内力学环境的多次撞击试验装置,为发射药及其装药的高压动态力学强度和高膛压发射安全性研究提供了新手段.基于老化试验及理论模拟计算,建立了NEPE高能固体推进剂的贮存寿命的预测方法.利用固体火箭发动机离心试验,初步建立了高铝粉含量的低燃速HTPB复合推进剂在过载情况下的燃烧加速度敏感性测试方法.利用高压反应釜实时监测系统,原位研究了铝/水反应的放热过程,建立了铝/水体系应用于固体推进剂的评价体系.在研究HTPB推进剂静电放电危险性基础上,建立了固体推进剂静电感度精确测试装置.建立了推进剂燃烧或爆炸产物的内阻和电导率测试方法,为推进剂燃烧产物电学性能的表征和等离子推进剂的研制提供了关键测试手段也适用炸药瞬态电学性能的表征.建立了推进剂羽流特性的微波干涉测试方法,实现推进剂尾烟尾焰电子云密度分布的测试.研究了改性双基、富燃料等推进剂标准物质的能量特性,建立了其特征信号测试标准方法.在单质炸药性能测试与评估方面,基于动态真空安定性试验法,初步建立了预测CL-20有效贮存寿命的方法.建立了较完善的固体推进剂和炸药钝感性能评价测试装置及其安全性分级方法.在火工烟火药剂性能测试与评估方面,研究并完善了火工药剂高压电阻率、±50kV静电火花感度和静电积累三参量的连续自动测试方法,建立了火工药剂激光感度、等离子体感度的测试新方法.由上可看出,近五年我国含能材料学科领域内取得了一批重要成果,有力推动了我军武器装备的改造和升级换代.其中具有完全自主知识产权的高增面、低温感发射装药和全等单元模块装药两项技术已处于国际领先水平,标志着我国已掌握了设计和制造射程更远、膛压更低、机动性能更好和战场生存能力更强的新一代大口径火炮所必须的发射能源关键技术.CL-20等高能量密度化合物的工程化规模制备技术也已达到国际先进水平,为我国发展能量性能更高、综合性能更加优良的发射药、推进剂和弹药战斗部装药提供了重要的技术和物质条件,进而为推动我国武器装备向弹药远程发射、高效毁伤和精确打击的目标发展注入了强大动力.2本学科国内外研究进展比较2.1含能材料设计与国外先进水平相比,我国含能材料基础较为薄弱,设计与研究仍然主要依靠实验,模拟仿真技术应用较少.我国的发射药能量水平已与国外相当,但品种少,综合性能尚有距离.与发达国家一样,我国高度重视HEDC设计与合成技术,并成功合成了30多个HEDC,但大多为跟踪或改进国外合成方法得到产品,自主设计和合成的品种很少.国外积极将HEDC 和高能低感度化合物用于高能低感发射药、推进剂与炸药的配方设计,其中CL-20、DNTF已成功应用于高能混合炸药和不敏感炸药,而我国因HEDC和高能低感化合物品种少、工程化尚未完成,将它们用于配方设计尚处于尝试阶段.国外已将高效能氧化剂ADN和AN应用于新型高能低特征信号推进剂中,而我国尚在开展这些新型氧化剂的应用基础研究.在火工药剂技术方面,我国的设计水平与品种,与国外先进水平相比差距较大,表现在新型火工药剂品种少,在新型火工系统设计时基础药剂的选用范围十分有限.2.2含能材料工艺技术近年来,我国十分重视含能材料制造工艺技术,研究重点在于连续化、自动化和柔性化,与国外先进工艺技术之间的差距正在缩小,但目前我国在含能材料生产时仍需较多的人工干预,制造工艺和装备水平均较落后.新型基础原材料HEDC、高效氧化剂、高能低感化合物的合成或制备方面,国外发达国家大多已完成工艺放大,部分已具备批量生产能力,但我国开展工程化研究的品种较少,制约了我国高能低感发射药、推进剂和炸药的开发.利用结晶技术制备高品质单质炸药方面,国外已开展了RDX、HMX等多种高品质单质炸药研发,其中D-RDX、D-HMX、NGu、NTO炸药晶体已经完成工程化放大,我国也已突破了关键技术,制得的D-RDX和D-HMX性能与国外相应产品相当,但品种少,工程化研究刚刚开始.我国一直重视基础原材料超细化技术研究,目前的技术水平与俄、美相当.对于火工药剂类含能材料,发达国家已完成起爆药的柔性自动合成,起爆药的新型微反应器制备技术也已进入实用化阶段,我国在火工药剂制备的关键工序也实现了自动化控制,而微反应器合成工艺还处于基础研究阶段.我国投入大量经费用于含能材料生产废水、废气的治理,开发的技术已开始推广应用,相关企业的有害物排放已大幅削减,但与国外先进的绿色生产技术相比,差距仍然显着.2.3装药技术与应用技术与发达国家相比,我国的发射药装药技术并不落后,有多项技术处于国际先进或者领先,但因基础研究不够深入,影响了部分装药新技术的推广应用.在火工药剂应用于火工品技术上,国外已深入研究了油墨打印、真空镀膜技术和原位装药等火工药剂装药技术,部分技术已用于生产,而相关研究在我国大多刚刚起步.2.4测试技术与性能评估发达国家已建立了炸药性能的测试和评价方法,考察的性能参数系统全面,而我国则侧重宏观性能的表征,微观结构与炸药材料静态、动态性能之间的关联考虑较少,建立的性能表征方法尚不够全面.国外的炸药性能综合评估模型是基于物理、化学、力学学科的研究基础和相关学科领域的先进技术,其性能预估值准确性较高,而我国在炸药性能预估时,采用了国外的计算模型,因缺乏基础参数,依靠调整模型中的基础参数值进行运算,其结果难以准确可靠地反映我国炸药的性能.3本学科发展趋势及展望3.1含能材料重点发展方向基于我国国情、世界新军事变革和含能材料应用属性的考量,在近中期我国含能材料技术发展过程中应把握的重点发展方向包括：火炮发射药应重点发展高能、高强度、低敏感度、高能量利用率及其装药；固体推进剂应重点发展高能、钝感、低特征信号推进剂；炸药则应重点关注高能、低感品种的发展；火工烟火药剂应把发展重点放在安全、环境友好、高端和个性化品种上.在含能材料设计时,需协调好高能量与低敏感度的关系,以及使用时含能材料与其所处环境的耦合关系.含能材料工艺技术的发展重点应放在安全、绿色环保、高效和精密制造,即在提高产品质量和生产效率、降低生产成本的同时,注重生产过程的本质安全,减少或消除环境污染.3.2含能材料发展策略为更好地推动本学科的发展,近中期必须加强基础研究,以拓展自主创新思路；在倡导技术创新的同时鼓励技术集成；加快高层次人才培养的同时,充分发挥领军人才在科技创新活动中的作用；重视科研平台建设,优化资源配置；进一步改革科研管理体制,完善管理制度.。
高氮含能材料3,6-二硝基-1,2,4,5-四嗪的密度泛函理论研究
高氮含能材料3，6-二硝基-1，2，4，5-四嗪的密度泛函理论研究近年来，来自3，6-二硝基-1，2，4，5-四嗪（3,6-dinitro-1,2,4,5-tetrazine，简称DTNT）这类高氮含能材料的关注不断升温。
DTNT在火灾爆炸防护领域已应用多时，具有卓越的催化性能和热解热量。
由于DTNT具有杰出的反应性、催化性和反应性等特点，有一系列研究和试验证明它是一种高效、可靠的化学能源，可被用作高温火药、可燃固体火药和节能驱动剂等应用的优异试样。
因此，DTNT的研究日益受到重视，开展其热物性和结构性等有关研究显示出极大的必要性。
要预测DTNT的热物性和结构性，多种理论和计算技术都可以使用。
然而，密度泛函理论（DFT）技术被认为是用于研究DTNT的最优方法之一。
DFT方法的优势在于使用的模型与实验结果吻合得较好。
DFT方法既能够估计DTNT材料的体系能级，又能够捕捉其力学和电学性质，因此，使用DFT来研究DTNT的热物性和结构性有助于理解其内部动力学过程。
DFT方法通过解决Schr？dinger方程来描述原子运动，从而估计DTNT分子结构和性质，并模拟表面活性剂、可燃固体火药和反应动力学等过程。
目前，运用DFT技术已经成为研究DTNT材料热物性和结构性的最重要手段。
因此，系统研究DTNT分子特性和相对应的物性是当前研究的主要焦点。
综上所述，进行密度泛函理论研究可以为数据库的创立积累量化的材料数据，提供基础数据；可以普及高氮含能材料3，6-二硝基-1，2，4，5-四嗪的热物性和结构性；研究其内部的动力学过程；促进DTNT作为一种化学能源的存储和应用，及其在军事防护领域的应用得到更广泛的提升和发展。
新型含能材料的研究进展
含能叠氮化物用于发射药配方 中能减少气体 排放 中产 生的 火焰 和 烟 雾 ， 配 方 更 环 保 。有 机 分 子 中 的含 能 叠 氮 基 团 使
（一Ｎ ） 取代氢形成含能叠 氮增塑剂 和聚合 物 ， 有机叠 氮化合 物
第３ ３卷
第 ２期
四 川 兵 工 学 报
２１ ０ ２年 ２月
【 化学工程与Leabharlann 料科学】 新 型 含 能 材 料 的研 究 进 展
张永 丽 ， 慧群 杨
（ 中北 大学 ， 太原 ００ ５ ） ３ ０ １
摘要 ： 国内外 的新型含能材料研究及应用进行综述 ， 对 主要介绍 了以下几类含能 材料 ： 高含氮量含能材料 、 含能氧化剂 、 含能 粘结 剂和增塑剂 。对各类含能材料特点及其相 关的物理化学性能进行 阐述 ， 为未来含能材料在火炸药 中的应用提供 了参 考
和 一 Ｎ—Ｎ＝Ｎ一等 ， 中最 常见 的是偶 氮基和肼 基 ； Ｎ＝ 其 取代基 除 了传统 的含 能基 团 一Ｎ ： 一 Ｏ 外 ， Ｈ 和 Ｎ ： 还有高能基团 一Ｎ ，２。 Ｊ 氨基取代 的多硝基 芳香 族化合 物是 氮杂 环有 机化 合物 ， 其 特点是密度高 、 热稳定 性 和钝感 好 ｊ 具有代 表性 的化 合物 有 ： ，
依据 。
关键 词 ： 含能材料 ； 氧化剂 ； 能粘结剂 ； 含 增塑剂
中 图 分 类 号 ：Ｊ５ Ｔ５ 文献 标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ６— ７ ７ ２ １ ） ２— １３— ３ １０ ０ ０ （０２ ０ ０ ２ ０
火药 是武器的能源 ， 提高能量是火 药发展 的根本 目的 ， 当前
全氮阴离子盐的又一次重大突破！
全氮阴离子盐的又一次重大突破！前言：不知道大家是否还记得除夕夜的Science (Science, 2017, 355, 374-376)：南京理工大学胡炳成教授团队报道首个在室温下稳定的全氮阴离子（N5ˉ）盐PHAC[(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl]的合成，标志着我国占领了新一代超高能含能材料研究的制高点。
近日，胡炳成教授团队在该领域再次取得突破，在Angew. Chem. Int. Ed. (DOI:10.1002/anie.201701070)上报道了首个全氮阴离子（N5ˉ）金属盐Co(N5)2(H2O)4•4H2O的合成方法，论文标题：A SymmetricCo(N5)2(H2O)4•4H2O High-Nitrogen Compound Formed by Cobalt(II) Cation Trapping of aCyclo-N5ˉ anion(Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 4512).相关内容链接：新型超高能含能材料是当今世界各军事强国争相发展的重点，也是未来国家核心军事能力和军事技术制高点的重要标志。
全氮类物质因具有高密度、高生成焓、超高能量及爆轰产物清洁无污染（产物为N2）等优点而成为新一代超高能含能材料的典型代表（所谓的N2炸弹），受到世界各国的重视，全氮阴离子（N5ˉ）的合成是该领域目前重点研究的对象。
针对全氮阴离子（N5ˉ）盐PHAC分子中含有大量的非含能离子、晶体密度较低等问题，胡炳成教授等开发了以金属钴离子（Co2+）在PHAC溶液中捕捉N5ˉ离子的方法，成功制得全氮阴离子（N5ˉ）金属盐。
随着金属钴离子的引入，Co(N5)2(H2O)4•4H2O比PHAC在晶体密度和能量方面都有较大改善，具有较高的潜在应用价值，对于全氮类物质的合成和应用以及全氮含能材料的发展具有重要的科学意义。
本文从原理上来说极其简单，以稳定的全氮阴离子PHAC作为原料，与金属钴盐进行反应，通过氢键，离子键等相互作用得到了稳定的全氮阴离子金属盐。
氮杂环含能化合物的研究进展
1994年 , Nocikova 等 [ 23 ] 采 用 93% H2 O2 、H2 SO4 、 Na2WO4 混合氧化剂氧化二氨基呋咱得到二硝基呋咱 (DNF) ( Scheme 6) 。DNF晶体密度为 1. 62 g·cm - 3 , 熔点 15 ℃,沸点 168 ℃。
阳世清 , 徐松林 , 雷永鹏
(国防科技大学航天与材料工程学院 ,湖南 长沙 410073)
摘要 : 综述了含有单个或多个氮原子的新型氮杂环含能化合物的合成与性能研究进展 ,主要包括呋咱 、三唑 、三
嗪 、四唑 、四嗪 、笼形及全氮化合物等 ;同时对此类含能材料存在的问题进行了评述 ,并给出了可能的解决方案 。
- 12 kJ·mol- 1 ,DSC热分解峰值 342 ℃;性能介于 HMX和
LLM 2116是 Pagoria等 [21 ]在 1996年合成的又一种 钝感高氮杂环含能化合物 ( Scheme 6) 。在叔丁基甲醇 钾盐的 DMSO 溶剂中 , 1, 1, 12三甲基肼的碘化物 TMH I 与 3, 52二硝基吡唑反应得 LLM2116,产率 70%。LLM2116 密度达 1. 90 g·cm - 3 , 178 ℃开始分解 , H50为 165 cm。
近年来 ,出现了一系列含有一个、两个或多个氮原 子的氮杂环和全氮含能化合物的合成及性能的研究报 道 ,其应用也几乎涉及到低特征信号推进剂、新型高能 钝感炸药和低烟低残渣烟火药等含能材料领域 [711 ] 。本 文主要概述了该类含能化合物的最新研究进展 。
含能材料分类富氮化合物_理论说明
含能材料分类富氮化合物理论说明1. 引言1.1 概述含能材料是一类在燃烧过程中能够释放大量能量的化合物。
它们被广泛应用于军事、航天、火箭推进以及民用领域，起到了至关重要的作用。
其中富氮化合物是一类具有高氮含量的特殊化合物，其能量密度和稳定性较高，备受研究人员的关注。
1.2 文章结构本文主要围绕富氮化合物在含能材料中的分类和理论说明展开研究。
首先介绍了含能材料的概念，并解释了富氮化合物在其中的应用情况。
然后对富氮化合物进行了分类，探讨了它们各自的特点。
接下来，我们将详细阐述富氮化合物的结构和性质，并介绍量子力学模拟方法在相关研究中的应用。
最后，我们将通过理论推导揭示富氮化合物燃烧反应机理。
为了验证理论模型的准确性，我们还设计了相应实验并对结果进行分析与讨论。
1.3 目的本文旨在系统地研究含能材料中的富氮化合物，并通过理论和实验相结合的方式，揭示其在燃烧反应中的机理。
通过深入理解富氮化合物的结构和性质，我们将为优化含能材料设计提供重要的理论指导。
同时，本文还将探讨富氮化合物存在的问题，并展望未来在这一领域的进一步研究方向。
通过这些工作, 我们希望推动富氮化合物与含能材料相关研究的发展，促进相关技术在实际应用中的推广和应用。
2. 含能材料分类:2.1 含能材料概念解释:含能材料是指那些具有高度可控的爆炸性能和释放大量化学能的物质。
它们广泛应用于军事、民用和工业领域，如火箭推进剂、炸药和发动机燃料等。
含能材料的分类是研究这些材料的一个重要方面。
2.2 富氮化合物在含能材料中的应用:富氮化合物是一类结构中包含大量氮元素（N）的化合物。
由于氮元素的高键级和高还原性，富氮化合物被广泛应用于含能材料领域。
它们常被用作强氧化剂、推进剂、燃烧增塑剂和起爆药等。
2.3 富氮化合物分类与特点:根据其分子结构和元素组成，富氮化合物可以分为多种类型：- 硝酸盐类：硝酸盐类富含亚硝酰基（NO2）或亚硝苦土基（ONO2），如亚硝酰胺、亚硝苦土铵等。
含能材料的合成及其性能研究
含能材料的合成及其性能研究含能材料是一种可燃性材料，也是军事和民用领域的重要材料之一。
由于其高能密度、适中的氧化还原能力和较好的耐受能力，含能材料被广泛用于火箭推进剂、炸药和烟火等领域。
为了不断提高其性能，目前已在该领域中开展了大量的研究工作。
一、含能材料的合成方法1. 溶液法溶液法是含能材料的一种制备方法，常用于制备含氮或含氮含氧化合物。
这种方法通常涉及混合适量的反应底物，并在适当的反应条件下进行控制。
溶液法制备含能材料的优点是成本低、操作简便、反应条件可调控。
然而，需要注意的是，由于该方法需要溶剂，因此需要对溶剂进行脱除，在操作时需要谨慎。
2. 机械法机械法包括球磨法、高能机械球磨法、溅射法等。
该方法与溶液法相比，制备含能材料的成本更高，但其所得材料的纯度和晶体结构要更稳定、一致。
其中，球磨法通常涉及将反应物、催化剂和试剂混合在一起，并以较高的转速轮换进行搅拌，以产生溶剂的剪切力和摩擦力。
高能机械球磨法则通常涉及将反应物在高能量球磨器内进行反应，以产生高能量脉冲电磁场，进而实现化学反应。
二、含能材料的性能评估对于含能材料的性能评估，常用的方法包括热分析法、爆炸性能测试、力学性能测试等。
其中，热分析法可以为含能材料的热行为提供信息，如热降解和燃烧反应等；爆炸性能测试可以为含能材料的爆炸特性提供信息，如爆速、液化效应等；力学性能测试可以为含能材料的力学性能提供信息，如机械强度和耐磨性等。
三、含能材料的应用1. 燃料推进剂含能材料作为燃料推进剂在航空和宇航领域中具有重要作用。
其中，固体火箭燃料推进剂通常涉及含有氧化剂和燃料等物质的混合物。
氧化剂有氟酸铵、过氧化氢、硝酸铵、高氯酸铵等，而常用的燃料则包括铝、前驱体、果糖、羟甲基杂环丁烷等。
2. 炸药含能材料作为炸药用于国防和民用领域中也是不可缺少的。
爆炸物可以分为高性能炸药和低性能炸药。
高性能炸药材料具有较高的能量密度和爆速，包括六元环氮系炸药和亚甲基硝胺炸药等；低性能炸药则包括火药和黑火药等。
高氮含能化合物的研究新进展
高氮含能化合物的研究新进展作者：赵方毅来源：《科技风》2017年第26期摘要：随着科学技术的不断进步，人类对化学未知世界的探索也不断加深，其中对高氮含能化合物的研究也逐渐增多。
本文综合分析了近几年国内以及国际上对高氮化合物的研究成果及结论，并在此基础上介绍了高氮含能化合物在实验层面的研究进展，进一步选出了可以作为高氮化合物理化性能的理想材料，为高氮含能化合物的分子设计提供了理论依据。
关键词：有机化学；高氮含能材料；叠氮化合物含能材料的历史最早可以追溯到二十世纪初，主要是以TNT为代表的材料；高氮含能化合物虽然是一种新型的含能材料，但是发展年限却不是很长，相信随着科学技术的进步，这种材料将会有一个广泛的应用前景，将主要被用于无烟烟火剂、无焰灭火剂以及各种高分子材料方面。
本文根据单元组成的不同对高氮化合物进行了分类，并简要总结了高氮含能化合物的研究情况。
1 高氮化合物的研究分析高氮化合物的单元构成主要包括：结构单元、连接单元和取代基。
结构单元主要包括六元环的嗪类以及五元环的唑类；连接单元则主要为一些羟基、氨基、肼基和双偶氮基等，偶氮基和肼基在实际中是最为常见的；取代基则包括含能基团氨基和硝基以及叠氮基。
（1）嗪类高氮化合物。
四嗪类高氮化合物和三嗪类高氮化合物的在母体上的差异性，分别表现为：以1，2，4，5四嗪环为母体、在其容易发生取代的3、6位置直接取代的化合物和以1，3，5三嗪环为母体、在容易发生取代的2、4、6位置上直接取代的高氮化合物，它们的种类数目也有差别，四嗪类高氮化合物种类比较多，但是真正具有应用价值的却比较少，三嗪类高氮化合物的种类大多是一些含氮基团的高能化合物。
下面分别列举几种化合物进行比较说明：第一、化合物DHT（2）。
这种化合物会在燃烧时温度会非常高，而且会伴随着氮气的产生，但是不会产生灰尘以及含硫烟雾，可以有效的降低重金属着色剂使用率，不仅能够对环境保护起到积极的作用，而且还有利于人的身体健康，所以，在日长生活中，这种化合物多被用于在室内使用的一种焰火剂。
全氮型超高能含能材料研究进展
ｏ ｍｅ ｔｔｅ ｄ ｆａｌ ｉｒｇ ｎ ｕｔａ ｉｈ ｅ ｅｇ ｔｃｍａｅｉｌ ｒ ｏｎ ｅ ｕ ｔ １ ｅｅｅ ｃ ｓ ｐ ｎ ｒｎ ｓｏ ｌ ｎ ｔｏ ｅ ｌｒｈ ｇ —ｎ ｒ ｅｉ — ｔｒ ｓｗｅｅｐ ｉｔｄｏ ｔｗｉ ６ ｒ ｆｒｎ ｅ ． ａ ｈ
Ｋｅ ｒ ｓ ｍａ ｅ ｉ ｌｓ ｉ ｎ ｅ ｕ ｔ ａ ｉｈ ｅ ｅ ｇ ｔ ｔ ｒａ ； １ ｎ ｔｏ ｅ ｏ ｏ ｎ ｍｅ ａ ｔｂ ｅ ｓａ ｅ ｓ ｎ ｈ ｓｓ ｔ ｅ — ｙ ｗｏ ｄ ： ｔ ｒａ ｃ ｅ ｃ ； ｌ ｈ ｇ — ｎ ｒ ｅ ｉ ｍａ ｅ ｉ ｌ ａ １ ｉｒ ｇ ｎ ｃ ｍｐ ｕ ｄ； ｔ ｓ ａ ｌ ｔ ｔ ； ｙ ｔ ｅ ｉ ； ｈ ｏ ｒ ｃ 一
第 ３ ５卷 第 １期
２０ １ ２年 ２月
火 炸 药 学 报
Ｃｈｉ ｅ ｅ Ｊ ｕ ｎａ ｆ Ｅｘ ｏ ｉ ｅ ＆ Ｐｒ ｐｅｌ ｎｔ ｎ ｓ ｏ ｒ ｌｏ ｐｌ ｓｖ ｓ ｏ ｌａ ｓ
全 氮 型超 高 能 含 能 材 料 研 究 进 展
李 玉 川 ，庞 思 平
（ 京 理 工 大 学 材 料 学 院 ，北 京 １０ ８ ） 北 ０ ０ １ 摘 要 ： 合 成 和 理 论 方 面综 述 了 全 氮 型 超 高 能 含 能 材 料 的研 究 进 展 。介 绍 了从 Ｎ３到 Ｎ１ 、 ０ 聚 合 氮 （ ｇ 从 ３ Ｎ６ 、 ｃ —Ｎ）
Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｏ ｌｎ ｔ ｏ ｅ ｔ ａ ｇ ・ ｎ ｒ ｅ ｉ ａ ｅ ｉ ｌ ｏ ｒ ｓ ｆＡｌ－ ｉｒ ｇ ｎ Ｕｌｒ ｈｉ ｈ－ ｅ ｇ ｔｃ Ｍ ｔ ｒ ａ ｓ 。 ｅ
ＬＩＹｕ ｃ ａ — ｈｕ ｎ， ＰＡ Ｎ Ｇ — ｎ Ｓｉｐｉ ｇ
（ ｃ ｏ ｌｏ ａｅ ｉｌ ｃｅ ｃ ｎ ｇｎ ｅｉｇ， Ｂ ｉｎ ｎ ｔｔ ｔ ｆＴｅ ｈ ｏｏ ｙ，Ｂｅ ｉｇ １ ０ ８ ， Ｃｈｎ ） Ｓ ｈ ｏ ｆＭ ｔｒａｓＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｅｊ ｇ Ｉ ｓｉｕｅｏ ｃ ｎ ｌｇ ｉ ｉｎ ０ ０ １ ｊ ｉａ
高氮含能化合物的研究新进展
科技风2017年12月机械化工DOI：10.19392/ki.1671-7341.201726105高氮含能化合物的研究新进展赵方毅山东省济南市长清第一中学山东济南250300摘要：随着科学技术的不断进步，人类对化学未知世界的探索也不断加深，其中对高氮含能化合物的研究也逐渐增多。
本 文综合分析了近几年国内以及国际上对高氮化合物的研究成果及结论，并在此基础上介绍了高氮含能化合物在实验层面的研究 进展，进一步选出了可以作为高氮化合物理化性能的理想材料，为高氮含能化合物的分子设计提供了理论依据。
关键词：有机化学；高氮含能材料；叠氮化合物含能材料的历史最早可以追溯到二十世纪初，主要是以 TNT为代表的材料;高氮含能化合物虽然是一种新型的含能材料，但是发展年限却不是很长，相信随着科学技术的进步，这种 材料将会有一个广泛的应用前景，将主要被用于无烟烟火剂、无焰灭火剂以及各种高分子材料方面。
本文根据单元组成的 不同对高氮化合物进行了分类，并简要总结了高氮含能化合物 的研究情况。
1高氮化合物的研究分析高氮化合物的单元构成主要包括:结构单元、连接单元和 取代基。
结构单元主要包括六元环的嗪类以及五元环的唑类; 连接单元则主要为一些羟基、氨基、肼基和双偶氮基等，偶氮基 和肼基在实际中是最为常见的;取代基则包括含能基团氨基和 硝基以及叠氮基。
(1)嗪类高氮化合物。
四嗪类高氮化合物和三嗪类高氮化 合物的在母体上的差异性，分别表现为：以1，2，4，5-四嗪环为 母体、在其容易发生取代的3、6位置直接取代的化合物和以1，3，5-三嗪环为母体、在容易发生取代的2、4、6位置上直接取代 的高氮化合物，它们的种类数目也有差别，四嗪类高氮化合物 种类比较多，但是真正具有应用价值的却比较少，三嗪类高氮 化合物的种类大多是一些含氮基团的高能化合物。
下面分别 列举几种化合物进行比较说明：第一、化合物DHT(2)。
这种化合物会在燃烧时温度会非 常高，而且会伴随着氮气的产生，但是不会产生灰尘以及含硫 烟雾，可以有效的降低重金属着色剂使用率，不仅能够对环境 保护起到积极的作用，而且还有利于人的身体健康，所以，在日 长生活中，这种化合物多被用于在室内使用的一种焰火剂。
中国科学家成功合成超高含能材料金属氮
图４中，试样件浸油２４ｈ后，分别进行高温试验和低温试验，其－５０ħ耐寒系数相对于未浸油试样的耐寒系数均有所提高㊂橡胶浸入介质中，介质会被橡胶吸收，可溶组分从橡胶中抽出，与橡胶发生各种化学反应，一般来说，吸收量通常大于抽出量，因而最终体积增加或质量变化，这种现象称为溶胀［１０］㊂油液使橡胶材料产生一定的溶胀，体积增加，使试样件更大限度地回弹，温度升高，加速了橡胶与介质之间的反应；同时，油液包裹着试样件，起到隔绝空气的作用，减少了标准试样件与氧的接触，降低了热氧老化的发生［１１］㊂因此经过１５０ħˑ１ｈ高温处理后，其耐寒系数较大㊂而经过－５５ħˑ２ｈ低温处理，低温情况下，不利于橡胶材料与介质之间的反应，其耐寒系数与浸油２４ｈ情况基本一致㊂从图４中也能看出，经过高温试验后的耐寒系数明显高于低温或常温状态下，说明在高温情况下，橡胶材料更容易产生溶胀现象，耐寒系数较大㊂３ 结论（１）高低温交变循环对２－５０１３丁腈胶料的回弹性及低温性能产生影响，使其密封性降低㊂（２）低温环境处理后，对２－５０１３丁腈胶料的压缩耐寒系数基本没有影响，但密封圈在低温环境中，特别是低温极限环境中使用时，其密封性能下降㊂（３）高温环境会使２－５０１３胶料发生老化，致使其压缩耐寒系数降低，影响其密封性㊂（４）油液会使橡胶材料产生溶胀，其耐寒系数增大，高温环境更易于产生溶胀现象㊂（５）对２－５０１３丁腈橡胶高㊁低温环境下低温性能的试验研究表明，其性能不能满足该产品的要求，应选择温宽范围更广㊁性能更加优越其他橡胶材料，以满足产品的实际使用要求㊂参考文献ʌ１ɔ苗荣丽，赖忠慧，章菊华．航空非金属材料性能测试技术：橡胶与密封剂［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０１４．ʌ２ɔ阮裕尧．低温对橡胶㊁工程塑料性能的影响［Ｊ］．环境技术，１９９１（２）：１９－２７．ʌ３ɔ阮裕尧．低温对工程塑料㊁橡胶及典型结构件的影响研究［Ｊ］．环境技术，１９９０（６）：６－１０．ʌ４ɔ谭井华，赵胜球，熊宇风，等．高氯酸锂改性丁腈橡胶抗静电性能研究［Ｊ］．包装学报，２０１６，８（１）：８－１３．ＴＡＮＪＨ，ＺＨＡＯＳＱ，ＸＩＯＮＧＹＦ，ｅｔａｌ．Ａｎｔｉｓｔａｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｂｕｔａｄｉｅｎｅ⁃ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅｒｕｂｂｅｒｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙｌｉｔｈｉｕｍｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅ［Ｊ］．ＰａｃｋａｇｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，２０１６，８（１）：８－１３．ʌ５ɔ李明俊，刘敏，徐泳文，等．丁腈橡胶中空纤维阻尼新材料的制备及性能［Ｊ］．复合材料学报，２０１１，２８（６）：４５－４９．ＬＩＭＪ，ＬＩＵＭ，ＸＵＹＷ，ｅｔａｌ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆａｎｅｗｄａｍｐｉｎｇｎｉｔｒｉｌｅ⁃ｂｕｔａｄｉｅｎｅｒｕｂｂｅｒｈｏｌｌｏｗｆｉｂｅｒ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｅＣｏｍｐｏｓｉｔａｅＳｉｎｉｃａ，２０１１，２８（６）：４５－４９．ʌ６ɔ孟江燕，严寒，王云英，等．丁腈橡胶混炼胶５８７０紫外辐照行为研究［Ｊ］．失效分析与预防，２０１３，８（４）：２０２－２０５．ＭＥＮＧＪＹ，ＹＡＮＨ，ＷＡＮＧＹＹ，ｅｔａｌ．ＳｔｕｄｙｏｆＵＶＩｒｒａｄｉａｔｉｏｎｏｎＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＡｖｉａｔｉｏｎＮＢＲ５８７０［Ｊ］．ＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，２０１３，８（４）：２０２－２０５．ʌ７ɔ杨霞辉，李志宇，王欣．鱼雷尾轴密封老化试验与贮存寿命预测［Ｊ］．鱼雷技术，２０１６，２４（４）：２４８－２５３．ＹＡＮＧＸＨ，ＬＩＺＹ，ＷＡＮＧＸ．Ａｇｉｎｇｔｅｓｔａｎｄｓｔｏｒａｇｅｌｉｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｓｅａｌｏｆｔｏｒｐｅｄｏｓｔｅｒｎｓｈａｆｔ［Ｊ］．ＴｏｒｐｅｄｏＴｅｃｈ⁃ｎｏｌｏｇｙ，２０１６，２４（４）：２４８－２５３．ʌ８ɔ徐光华．Ｏ形密封圈的失效原因及防止措施［Ｊ］．科技资讯，２００７（１７）：９３．ʌ９ɔ赵泉林，李晓刚，高瑾．三元乙丙橡胶的人工气候老化［Ｊ］．北京科技大学学报，２００８，３０（１２）：１４２２－１４２７．ＺＨＡＯＱＬ，ＬＩＸＧ，ＧＡＯＪ．Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｗｅａｔｈｅｒｉｎｇｏｆｅｔｈｙｌｅｎｅ⁃ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ⁃ｄｉｅｎｅｍｏｎｏｍｅｒ（ＥＰＤＭ）ｒｕｂｂｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，２００８，３０（１２）：１４２２－１４２７．ʌ１０ɔ张凤玲，代想想，王越，等．航空液压油对丁腈橡胶密封件性能的影响［Ｊ］．中国橡胶，２０１３，２９（５）：４２－４６．ʌ１１ɔ王占彬，肖淑华，范金娟，等．丁腈橡胶密封圈液压油中的老化机理［Ｊ］．宇航材料工艺，２０１４，４４（４）：６４－６８．ＷＡＮＧＺＢ，ＸＩＡＯＳＨ，ＦＡＮＪＪ，ｅｔａｌ．Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄａｇｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｎｉｔｒｉｌｅ⁃ｂｕｔａｄｉｅｎｅｒｕｂｂｅｒｓｅａｌｉｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｆｌｕｉｄｓ［Ｊ］．ＡｅｒｏｓｐａｃｅＭａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，４４（４）：６４－６８．中国科学家成功合成超高含能材料金属氮中科院合肥物质科学研究固体物理研究所采用超快探测方法与极端高温高压实验技术，将普通氮气成功合成为超高含能材料聚合氮和金属氮㊂氮材料聚合物是５种常规超高含能材料之一，蕴含大量可释放化学能㊂在极端高温高压条件下，氮分子会发生一系列复杂的结构和性质变化，从而形成聚合氮和金属氮，这两种氮材料都是典型的超高含能材料，具有含能密度高㊁绿色无污染和可循环利用等优点㊂鉴于传统的高温高压实验方法和探测手段的局限性，此前的研究仅仅部分地反映了氮在极端条件下的行为，未能全面揭示由绝缘态的氮分子向金属氮转变的压力㊁温度和物性的全息相图㊂中科院科研团队在原有的金刚石对顶砧装置的基础上，引入了脉冲激光加热技术和超快光谱探测方法，建成了集高温高压产生及物性测量的原位综合实验系统，从而原位研究了氮分子在转变过程中的光学吸收特性和反射特性，确定了氮分子解离的相边界及金属氮合成的极端压力温度条件范围，合成了具有半金属性质的聚合氮和具有完美金属特性的 金属氮 ㊂（来源：新华社）２５１润滑与密封第４３卷。
含能材料热分解研究中的几个重要问题
含能材料热分解研究中的几个重要问题近年来，随着科技的快速发展，含能材料的研究逐渐变得日益重要。
一方面，含能材料的应用范围正在扩大，其中包括先进材料科学、现代火炮、火药和推进剂等领域，另一方面，含能材料的热分解行为及其研究也得到了越来越多的关注。
本文将从几个重要的角度讨论含能材料热分解研究中的几个重要问题，包括热分解物质、热分解反应度剂和含能材料热分解研究的未来发展趋势。
首先，讨论含能材料热分解过程中的热分解物质。
一般来说，含能材料是由多种元素组成的，例如氧、氮、碳和氢等，这些元素在热分解过程中会发生一系列的反应，最终形成热分解物质。
研究表明，热分解物质的生成受到多种因素的影响，例如材料组成、反应条件等，因此，在分析和预测含能材料热分解过程中，对热分解物质的研究是十分重要的。
其次，热分解反应度剂的研究也非常重要。
在热分解过程中，可以使用反应度剂来加速反应，从而增加反应的温度、速率和效率。
目前，研究不同的反应度剂对热分解反应的影响结果仍然是尚未解决的一个重要问题。
另外，热分解产物的物理性质也会受到反应度剂的影响，对此也有必要进行深入的研究。
最后，从未来发展的角度讨论含能材料热分解研究。
未来，随着热分解技术的发展，许多新的含能材料正在被研发，这些含能材料的性能要求越来越高，将会带来更多的新问题和挑战。
因此，针对大多数新型含能材料，将需要更细致的研究，以确定它们的热分解反应的最佳反应温度、反应效率、反应产物等，以及它们的安全性和可靠性。
综上所述，含能材料热分解研究中有几个重要问题，包括热分解物质、反应度剂以及未来发展趋势等。
要想深入了解含能材料的热分解过程，必须综合考虑上述几个问题，并进行更加深入的研究。
因此，这对于改善含能材料的性能，以及推动其安全可靠的发展，都具有重要的意义。
中国科学家成功合成超高含能材料金属氮
中国科学家成功合成超高含能材料金属氮
从中科院合肥物质科学研究院了解到，该院固体物理研究所采用超快探测方法与极端高温高压实验技术，将普通氮气成功合成为超高含能材料聚合氮和金属氮，揭示了金属氮合成的极端条件范围、转变机制和光电特征等关键问题，将金属氮的研究向前推进了一大步。
该项目由固体物理研究所的极端环境量子物质中心科研团队完成，相关研究成果发表在国际权威学术期刊《自然》子刊上。
氮材料聚合物是五种常规超高含能材料之一，蕴含大量可释放化学能。
在极端高温高压条件下，氮分子会发生一系列复杂的结构和性质变化，从而形成聚合氮和金属氮，这两种氮材料都是典型的超高含能材料，是目前常用炸药TNT能量密度的十倍以上，具有含能密度高、绿色无污染和可循环利用等优点，如果能作为燃料应用于载人火箭一、二级推进器，有望将目前火箭起飞重量提升数倍以上。
鉴于传统的高温高压实验方法和探测手段的局限性，此前的研究仅仅部分地反映了氮在极端条件下的行为，未能全面揭示由绝缘态的氮分子向金属氮转变的压力、温度和物性的全息相图。
中科院科研团队在原有的金刚石对顶砧装置的基础上，引入了脉冲激光加热技术和超快光谱探测方法，建成了集高温高压产生及物性测量的原位综合实验系统。
研究人员获取了高温高压极端条件，并在此条件下原位研究了氮分子在转变过程中的光学吸收特性和反射特
性，确定了氮分子解离的相边界及金属氮合成的极端压力温度条件范围，原位光谱分析研究也进一步证实了实验中确实合成了具有半金属性质的聚合氮和具有完美金属特性的“金属氮”。
含氮类含能材料研究报告进展
含氮类含能材料研究报告进展近年来，含氮类含能材料作为一种新型的高能材料，备受研究者的关注。
这类材料以其高能量密度、良好的安全性和环境友好性等特点，被广泛应用于火箭推进剂、炸药、燃料电池等领域。
本文将对近年来含氮类含能材料研究的一些进展进行介绍。
首先，含氮类含能材料的设计和合成方面取得了重要进展。
传统的含能材料，例如硝化甘油和三硝基甲苯等，往往具有高能量密度但同时存在安全隐患。
因此，研究人员开始寻找新型含氮类含能材料来替代传统材料。
近年来，一些新型含氮类含能材料如四硝基聚氨酯（TNP）和八氟异氰酸酯（BF-TAPE）等被提出并成功合成。
这些新型材料在能量密度、热稳定性和爆炸性能等方面都具有优异的性能。
其次，含氮类含能材料的改性研究也取得了显著进展。
由于一些含氮类含能材料的机械性能和热稳定性有待提高，研究人员开始对这些材料进行表面改性、界面调控和复合增强等方面的研究。
例如，通过改变含氮化合物的分子结构和含氮基团的功能化，可以增强材料的热稳定性和力学性能。
同时，将含氮类含能的微纳结构修饰到具有良好力学性能的材料上，可以提高材料的能量密度和燃烧速率等性能。
第三，含氮类含能材料的应用也在不断扩展。
除了传统的火箭推进剂和炸药领域，近年来含氮类含能材料在燃料电池、催化剂和生物医学领域等方面的应用也得到了关注。
例如，含氮类含能材料可以作为高性能催化剂的载体，用于提高催化剂的反应活性和选择性。
此外，含氮类含能材料还可以作为生物医学材料，用于构建生物血管和组织工程等领域。
最后，尽管含氮类含能材料在上述各个方面均取得了重要进展，但仍然存在一些挑战和问题需要解决。
例如，这些材料的合成方法仍然需要改进，以提高合成效率和降低成本。
此外，对于这些材料的安全性和环境影响等方面的研究还需要加强。
因此，未来研究应该集中在解决这些问题上，以进一步推动含氮类含能材料的发展和应用。
综上所述，含氮类含能材料的研究在合成、改性和应用等方面已取得了重要进展。
高氮含能化合物应用研究新进展
精确打击、高效毁伤能力和高生存能力是现代武器追求的目标。
要实现这些目标，作为武器能量载体的含能材料必须满足高能量密度、低易损性和环境适应性要求。
含能材料性能直接决定武器装备的战斗力，是武器装备的关键环节之一。
有了性能优异的含能材料，才能设计出具有先进水平的武器装备［１］。
因此含能材料的研究与发展，历来受到各国高度重视。
含能材料的发展大致经历了４个重要时期：①２０世纪初，以梯恩梯（ＴＮＴ）为代表的含能材料被广泛应用；②２０世纪３０年代，以追求高能量为主的含能材料，如黑索金（ＲＤＸ）和奥克托今（ＨＭＸ）等被广泛应用；③２０世纪６０年代，以追求安全性能为主的含能材料，如钝感炸药三氨基三硝基苯（ＴＡＴＢ）等被广泛应用；④２０世纪８０年代以后，进入了实验和理论相结合、寻找新型高能钝（低）感炸药的新阶段［２］。
目前由于军事需求，武器威力亟待提高，各大国对含能材料的研制更加重视，对含能材料提出了更高要求，能量高、安全性好、成本低、对环境友好等对含能材料尤为重要［３］。
为降低战斗平台易损性、提高武器隐身能力、提高火炸药能量及减少对环境的污染而研制的第四代含能材料——高能量密度材料（ＨＥＤＭ）应运而生［４］。
作为炸药中主要含能组分的高能量密度化合物（ＨＥＤＣ），通常是指体积能量密度高于ＨＭＸ １．１倍的含能化合物，ＨＥＤＭ的应用可显著提高弹药的能量指标，降低弹药的使用危险性和易损性，增强使用可靠性，延长使用寿命，并减弱目标特征。
其进一步发展，有可能使战术及战略导弹用推进剂、低易损性发射药、破坏潜艇的水下炸药、高穿透能力的锥形装药、钝感和武器装药等逐步实现最佳化。
高氮含能化合物作为一种新型含能材料已受到各国广泛重视，四嗪、四唑和呋咱等高氮含能化合物分子结构中含有大量Ｎ－Ｎ、Ｎ＝Ｎ、Ｃ－Ｎ和Ｃ＝Ｎ键，这是其化学潜能的主要来源［５］。
由于氮、氧原子的电负性较高，这些氮杂芳环体系一般都能形成类苯结构的大π键，具有钝感、热稳定的特性。
我合成全球首个全氮阴离子盐
我合成全球首个全氮阴离子盐【科技前沿】全球首个全氮阴离子盐在中国合成，这意味着我国占领了新一代超高能含能材料研究的国际制高点。
这项研究由南京理工大学教授胡炳成所率的团队完成，相关论文日前发表在国际著名期刊《科学》上，这也是我国在该杂志上发表的含能材料领域首篇论文。
自1772年科学家从大气中分离出“氮”以后，直到1890年，才发现第一种全氮离子N3-，此后相关研究再无任何重大突破。
虽然科学家对从N3到N13的各种全氮衍生物进行了大量的理论预测，却始终没能真正合成相关化合物。
1999年，美国空军研究实验室首次合成呈线状N5+阳离子，当时的研究目的是制造取代有毒的肼类火箭燃料的新型火箭燃料。
胡炳成团队这次成功合成出全氮阴离子盐，是该领域的突破性成果。
理论上，全氮类物质的能量水平可达104~105焦耳/克级别，这相当于TNT炸药的10到100倍。
“全氮类物质因具有高密度、高生成焓、超高能量及爆轰产物清洁无污染等优点而成为新一代超高能含能材料的典型代表，受到世界各国的重视。
”胡炳成告诉记者，全氮阴离子盐的成功合成，标志着我国核心军事能力和军事技术已经达到国际制高点。
“我们采用间氯过氧苯甲酸和甘氨酸亚铁分别作为切断试剂和助剂，通过氧化断裂的方式首次制备成功室温下稳定的全氮阴离子盐。
热分析结果显示这种盐分解温度高达116.8摄氏度，具有非常好的热稳定性。
”全氮阴离子盐的成功合成，不仅为全氮阴离子高能化合物的制备奠定了坚实基础，更有助于我国核心军事能力的提升。
“新型超高能含能材料是国家核心军事能力和军事技术制高点的重要标志，全氮阴离子的合成对全氮含能材料的发展具有重要科学意义。
”胡炳成说。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高氮含能材料简述姓名：罗春平学号：113103000299摘要：含氮含能材料作为一种新型含能材料已受到各国的广泛重视。
四嚓、四哇和吠咱等高氮含能化合物分子结构中含有大量N-N,C- N, N =N和C=N键，因而具有很高的生成焓，这是其化学潜能的主要来源川[1]。
四臻、四哩和吠咱等高氮化合物由于氮、氧原子的电负性较高，这些氮杂芳环体系一般都能形成类苯结构的大π键，具有钝感、热稳定的性质。
实验证明，多数高氮化合物对静电、摩擦和撞击钝感[2]。
高氮化合物的高氮、低碳氢含量使其更容易达到氧平衡，也使其密度较高。
综上所述，四嗓、四哇和吠咱等高氮化合物具备作为新型含能材料使用的潜力[3]。
关键词：含氮材料、含能材料、高氮化合物、生成焓、炸药引言：含能材料的发展大致经历了四个重要时期：20 世纪初，以TNT 为代表材料的广泛应用；20 世纪30 年代，以追求高能量为主的材料，如RDX、HMX 的应用；20 世纪60 年代，以追求安全性能为主的材料，如钝感炸药TATB 的应用；20 世纪80 年代至今，以实验和理论相结合，寻找新型高能钝（低）感炸药的新阶段炸药的能量和安全性能是对立的，为了满足能量和安全性的双重要求，高氮化合物以其优异的理化性能进入了化学家们的研究视线[4]。
高氮含能化合物是近年来发展起来的一类具有良好应用前景的新型含能材料，它具有高正生成热、高热稳定性的特点。
作为新型的含能材料，高氮含能化合物主要应用于高能钝感炸药、小型推进系统固体燃料、无烟烟火剂、气体发生剂、无焰低温灭火剂。
Los AIamos 国家实验室的Hiskey 研究小组［1］对高氮化合物的合成以及应用进行了大量的研究。
在理论工作方面，德国慕尼黑的Ludwig-MaximiIian 大学的KIapitke 研究小组，国内南京理工大学肖鹤鸣等［5］人对五元环的四唑类高氮化合物进行了大量的理论计算研究，四川大学的田安民研究小组在氮原子簇合物［6］和三均三嗪类衍生物方面也开展了很多理论研究工作。
目前合成的高氮含能化合物主要是氮杂环有机化合物，以含氮量较高的六元四嗪环和五元四唑环为母体，通过连接单元并引入取代基而形成。
本文按高氮化合物各组成单元的类别，对高氮化合物进行了分类，综述了有代表性的一些高氮含能化合物的实验和理论研究情况，且对其应用进行了简单总结。
1氮化合物的实验和理论研究1.1 四嗪类高氮化合物有别于传统的含能物质，四嗪类高氮含能化合物普遍具有高的正生成焓，且大多不含硝基基团，感度较低，热稳定性较好，分子结构中的高氮低碳、氢含量使其更容易达到氧平衡近年来，出现了一系列四嗪类高氮含能化合物的合成报道，四嗪类高氮含能材料的应用几乎涉及到低特征信号推进剂、新型高能钝感炸药等含能材料的各个领域。
实验及理论研究表明：将此类高氮含能化合物引入推进剂配方中，能显著降低燃温，且主要燃烧产物中N：含量升高，H：O和CO：含量降低，降低了出口气体产物的特征信号；将其与常见炸药制备成混合炸药，可明显降低高能炸药黑索金(RDX)等的感度或提高钝感炸药三氨基三硝基苯(TATB)等的能量。
目前，四嗪类高氮含能材料研究主要集中在3，6．对(5．氨基四唑)一l，2，4，5．四嗪(BTATz)‘26屯71、3，3’．偶氮(6．氨基。
1，2，4，5一四嗪)(DAAT)及氧化物DAATO。
3，6．二氨基．1，2，4，5．四嗪一1,4一二氧化物(LAX—112)、3，6．二胍基．1，2，4，5一四嗪(DGTz)和3,6．二硝基胍．1，2，4，5一四嗪(DNGTz)‘32q31等对称均四嗪类化合物及其盐、氧化物的合成和性能上[7]。
但目前所报道的四嗪类含能化合物普遍存在着2个较大的问题：一是密度不高，一般都低于1．90g／cm3，与HMX、TATB等炸药密度相差较大；二是含氧量太小，无法与传统的含硝基基团的炸药相比。
因此为解决上述问题，必须设计和合成出密度和氧平衡都较好的四嗪类高能量密度物质。
1.1.1 四嗪环四嗪环中氮质量分数为68．3％，结构上符合Hiickel规则，具有芳香性。
其结构相当于苯环中的4个次甲基(一CH=)被4个叔胺基(一N=)取代而成的杂环化合物，叔胺基的引人使环的芳香性和碱性都增加。
由于环上的丌电子云向氮转移，碳原子的盯电子云密度降低，加之诱导效应，进一步使环上的电子云密度降低。
因此，四嗪环很难发生亲电取代反应，而较易发生亲核取代反应[8]。
1，2，3，4一四嗪化合物目前只有俄罗斯和美国作过少量报道，且主要是有关苯并1，2，3，4一四嗪氧化物及其衍生物的合成及性能研究。
1，2，4，5。
四嗪也即均四嗪(S-tetrazine)，是近年来国内外研究报道较多的一种高氮化合物。
2002年，江银枝等人[9]研究了氰基与肼的成环反应，获得了具有生物活性的均四嗪类化合物。
2003年，Jadwiga等人[10]也发表了类似的报道，共合成出了55种具有生物活性的均四嗪类化合物。
德国的Kertht251和美国Los Alamos实验室的Hiskey等人［11,12］都大量合成出了BT；国内的陶永杰等人也公开发表了有关BT合成的论文，徐松林等人在实验室条件下完成了BT的百克级合成放大研究1.1.2 四嗪类稠环化合物1998年，David等人[13]以BT为起始物，经肼基取代、成环和氨基化等反应分别得到了3种1，2，4，5．四嗪并三唑的衍生物l，2，4一三唑[4，3-b]并l，2，4，5一四嗪(TTZ)、6．氨基一1，2，4一三唑[4，3_b]并1，2，4，5一四嗪(ATZ)币N 3,6一二氨基一1，2,4．三唑[4，3-b]并1，2，4，5一四嗪(AATZ)；TTZ熔点210cc，ATZ熔点217～218 c|C，AATZ熔点332～333℃。
2003年，美国的William等人[14]报道了三嗪三唑并1，2，3，5一四嗪含能衍生物的合成，主要用作烟火药中的着色剂。
1.2 叠氮类高氮化合物含有叠氮基团的高氮化合物，在能量上非常有吸引力，但是其稳定性和感度很差，有待于进一步研究。
Hiskey 等人对此做出了很多有价值的尝试。
这类化合物主要有5-叠氮基-lH-四唑（CHN7，10）；3，6-双（叠氮基）-l，2，4，5-四嗪（DAT，11）；2，4，6-三（叠氮基）-l，3，5-三嗪（TAT，12）；2，5，8-三叠氮-三均三嗪（13）；4，4'，6，6'-四（叠氮基）肼基-l，3，5-三嗪（TAHT，14）；4，4'，6，6'-四（叠氮基）偶氮-l，3，5-三嗪（TAAT，15）。
分子结构如下所示（图1）：图1. 一些含有叠氮基团的高氮化合物结构示意图随着叠氮基的引入，化合物的生成热有所增加，高氮化合物所含的能量也有所增加，但是感度和稳定性却越来越差。
表1 中给出了部分叠氮化合物生成热、感度以及热稳定性的数据［15］，并和传统的传爆药PETN 做了比较。
表中数据显示，叠氮化合物DAT（11）和TAT（12）由于感度极差，不能作为含能材料使用。
化合物CHN7 （10）［16］对静电、摩擦和撞击非常敏感，研磨即可导致其爆炸。
而化合物13 是一个刚性平面分子，形成了离域大! 键的稳定结构，其感度有所改善，是一种潜在含能化合物。
这种化合物由Miiier等人［17］首次合成，并对其表征。
虽然叠氮基使化合物的感度非常差，但是其蕴含的巨大能量，还是对化学家充满了诱惑力，所以采用了很多方法来降低感度。
Huynh 等在两个TAT 之间引入肼基桥和偶氮桥，得到化合物TAHT 和TAAT，其感度数据见表4。
从表4可以看出，连接桥的引入，不仅增加了生成热，还改善了感度和密度。
特别是肼基桥，使落锤感度和摩擦感度明显提高。
偶氮桥的引入，还使其密度略有提升。
Hammeri 等人在CHN7 （10）中引入苯环结构，得到了化合物PhCN7，相对于CHN7 （10），也极大程度的改善了其感度性能。
最近，Hiskey 研究小组在得到化合物DAT 晶体结构基础上，用间接的方法得知它的生成热为1101 kJ·moi -1，单位原子生成热达+91. 15 kJ，在迄今为止所知的有机化合物中最高。
Hiskey 等人还发现当对DAT 用强极性溶剂处理时，四嗪环上的叠氮基会发生环化，形成化合物17 等分子构型，其感度性能还在研究之中，他们也与理论化学家合作正在深入研究这一有趣的环化现象。
2004 年，四川大学的郑文旭等对化合物13 进行理论预测研究时，对其环化的可能性也进行了理论研究，得到其中的一个分子如图4 中的化合物18。
环化后化合物17 和18 都是很好的共面结构，利于分子的稳定性，有利于改善感度，我们也期望环化处理能够成为降低感度的有效途径。
值得注意的是在高氮含能材料研究中占主导地位的Hiskey 研究小组开始与理论计算化学家的合作研究，这说明理论计算的工作在高氮化合物的研究中已受到了重视1.3 唑类高氮化合物近来，美国利弗莫尔国家实验室合成了一些性能较好的硝基吡唑和吡唑基[4，3-c]吡唑环体系类的含能化合物，如4一氨基-3，5-二硝基吡唑(LLM-116)和1，4一二硝基一3，6-毗唑基[4，3-e]吡唑(LLM．119)等，其中LLM一116的爆炸特性落高为167．5 cm(5 kg落锤，HMX为32 cm)，对静电火花钝感，预测能量是HMX的90％，LLM—119的理论能量为HMX的1．04倍[18]。
由于硝基吡唑化合物具有非常可观的能量，在高能炸药、低感添加剂、安全钝感起爆药等领域有很好的应用前景。
四唑是目前能够稳定存在的含氮量最高的一种结构单元。
对以四唑环为母体的高能盐类进行分析，发现这种四唑盐类主要有以下几种，其分子结构如图2所示。
Kiapt ke 小组分别对化合物19、20、21、22（图2）的合成和性能进行过实验和理论研究。
他们用量子化学的方法计算了部分化合物的生成热，并和实验数据进行了对比；用Kamiet 和Jacobs经验公式估算了爆速和爆压，结果如表2 所示[20]。
图2. 几种以四唑环为母体的高能盐结构图从表2 中的生成热数据可以看出，高精度的G3方法得到的标准生成热与实验误差很小，可以作为估算爆轰性能以及表征材料性能的有效参数。
Hammeri 等用二阶微扰理论计算得到化合物!" 的标准生成热为1104 kJ·moi - 1，是目前报道的高氮盐类中最高的一个。
化合物!" 在室温下比较稳定，对摩擦和冲击不敏感，但快速加热会使其发生爆炸，估算的爆速为6. 33 km·s - 1，爆压为24. 7 GPa。
Kiapt ke 等2004年首次合成化合物!!，用X-Ray、分子轨道理论（MO）和自然键轨道理论（NBO）分析时，发现化合物是共面结构，有离域的共轭大! 键存在，性能非常稳定，是一种很好的含能材料，可以作为绿色化学气体产生剂。