新型含能材料

TATB FOX-7
353 216
50 15-40
>325 >240
降低含能材料的感度
通过各种改变相应的性质而予以降低。 • 改善结晶质量， • 减少结晶或分子缺陷， • 消除结晶内的空隙， • 降低或消除结晶中的化学杂质和多相 性
2.2 固体火箭推进剂
固体火箭发动机最重要的应用性能 • 比冲(ISP) • 燃速特征 • 压力指数（r=a·pn）
研究任务
TNAZ尚未商品供应。按现在采用的 合成TNAZ的路线，它的价格过高，以 致即使在应用性实验中检测TNAZ的性 能也难于实现。改善制造TNAZ的方法， 以使其保持合理的价格，是TNAZ研究 中一个主要的任务。
3.4 ADN
• ADN，即二硝酰胺铵， • 分子式为：NH4N(NO2)2。 • ADN最令人感兴趣的一点:作为固 体推进剂的氧化剂，特别是用它替 代高氯酸铵——目前被实际应用的 一种新型起爆药。
3.1.2 CL-20的感度及晶型 • CL-20的撞击感度很高与PETN相似， 因此加工和处理CL-20时需要特别注意 安全。也是基于这个原因，目前国际 上进行的很多有关CL一20的研究均旨 在降低CL一20的感度，其技术途径有 改善结晶条件以生产无结晶缺陷的CL20和采用适当的惰性包覆层等。
CL-20存在四种晶型：
3.2 八硝基立方烷（ONC）
2000年，美国芝加哥大学的Mao-Xi Zhang and Philip E.Eaton与美国华盛顿海军研究实验室的Richard Gilardi合作，成功地合成了八硝基立方烷(ONC). ONC的分子式是C8(NO2)8，它是一个带硝基的立方形分子， 立方烷的每个角上均带有一个硝基：
• TNAZ的分子式为：C3H4N4O6 • 相对分子量为192.10 • 氧平衡-16.66%，密度为1.84 g·cm-3， • 熔点101℃-103℃ • TNAZ为高张力小环化合物，由于四元环分 子间的张力，使其内能提高了155kJ·mol-1 • 其生成焓达26.1kJ·mol-1，故其能含量较 高，介于RDX和HMX之间 • 起始热分解温度超过240℃，所以其热稳定 性优异
立方烷 1，4-二硝基立方烷 1,3,5-三硝基立方烷 1,3,5,7-四硝基立方烷 1,2,3，5，7-五硝基立方烷 八硝基立方烷
采用各种理论计算方法，得到的ONC的密度为1.9 g· cm1-2.2g· cm-1。与其他常规炸药(如TNT、RDX和HMX)相 比，即使在较低密度下,ONC的能量也可与HMX比肩.如果 ONC的密度能达到其最大的理论计算值，即2.2g· cm-1， 则它的能量水平会超过现在已知的能量水平最高的炸药 CL-20。
高 较低
低 低 低
已有 已有
已有 研发试验 中 研发试验 中
AND RP:GAP/AND/ 硝铵/增塑剂
2400-2600
低
研发的新 型推进剂
双基(DB)固体火箭推进剂
主要组分：硝化甘油及硝化棉，同时含 有加工助剂及燃速调节剂 比冲：2100N· kg-1-2300N· kg-1 s· s· 燃速：低到中等，为10mm· -1s 25mm· -1 s 优点：特征信号低 缺点：对爆轰较敏感，低温下处理困难。
不过，在半硝胺发射药中加人适当的 增塑剂，可降低其燃烧温度。常规的硝胺炸 药RDX及HMX可用为半硝胺发射药的固体填 料。 可采用其他含能粘结剂，与新的含能 材料配合，其燃烧温度仍处于可实际应用的 范围。这说明，采用这类配方，有可能大大 提高发射药的能量水平。因而这些配方对发 展未来的高能发射药具有很好的前景
• CL-20更是高能硝胺氧化剂一个吸引人的 AP的替代物。采用CL-20的配方有可能制 得AP含量甚低或不含AP的高能固体火箭 推进剂。 • CL-20与含能粘结剂相配合则可能制得能 量水平较高的无烟固体火箭推进剂。 • CL-20也可用为半硝胺发射药的固体填料。
研究难题
• CL-20现在已工业化生产，批量达 50kg-100kg。作为一个粗产品， 因为CL-20的感度很高，所以在加 工上受到很大的限制。
应用及研究方向
ONC也存在不同晶型，而现在得到的 是ONC的水合物。未来的关于ONC的研究 工作肯定会集中于寻找ONC的其他晶型。 ONC仍然是一个待了解化合物，它的 理论计算最高密度可达2.123g· cm12.135g· -3。 cm
3.3
TNAZ
• TNAZ(1,3,3-三硝基氮杂环丁烷),是美 国加州Asuza氟化学所首先合成 。 • 其结构为：
3.新型含能材料
3.1 CL-20 • 六硝基六氮杂异伍兹烷（HNIW，俗称CL20）。美国科学家于1986年在实验室次合 成的，是一种新的笼形多硝铵化合物 • 其分子式为C6H6N12O12；相对分子量为 438.28；氧平衡为-10.95%。
3.1.1 CL-20的合成及供应
CL一20是迄今为止已知的能量水平最高 的单质炸药，且在已知的有机化合物中，其 密度也最高。 CL一20现以间断法生产，批量50kg100kg。CL-20系以多种晶型存在，其中密度 最高的是ε-晶型。目前还不能合成纯的单一 晶型的CL一20。合成的CL-20需在适当的溶 剂中重结晶以得到ε-CL-20。改变重结晶的工 艺条件，可得到合乎需要的具不同粒度及粒 度分布的CL-20。
复合推进剂 • 主要组分是高氯酸按、铝粉和 HTPB(端轻聚丁二烯) • 能量水平：远高于双基推进剂，以铝 粉为基的配方的比冲可达2500N· kgs· 1-2600N· kg-1，不含铝粉的低烟配方 s· 的比冲为240ON· kg-1---2500N· kgs· s· 1,7MPa下的燃速为6mm· -1-40mm· -1 s s
DB:RP:NC/NG AN RP:GAP/硝铵/ 增塑剂 硝铵 RP:GAP/硝铵 /AP/增塑剂
2500-2600 2400-2500
2100-2300 2200-2350 2300-2450
6-40 6-40
10-25 5-10 10-30
0.3-0.5 0.3-0.5
0-0.3 0.4-0.6 0.4-0.6
3.1.1CL-20的合成及供应
CL-20的市场价格甚高，每千克超过1000 欧元，单是考虑价格这一点，CL-20的实际 应用还不具备吸引力。 CL-20溶于丙酮、醋类和醚类，不溶于 水、芳香烃及卤代烃。CL-20与大多数固体 和粘结剂(如RDX、HMX、AP、PETN、硝 酸醋、异氰酸醋、GAP及HTPB)相容，与碱、 胺及碱金属氰化物(如NaCN)不相容。
所以，研制无烟、低信号、能量水平相 当于现用AP/Al复合配方(比冲2600N· kg-1) s· 的固体火箭推进剂是当代含能材料工业的主 要目标之一。 达到这一目标的一个技术途径是减少复 合推进剂中的AP含量，即寻找更高能的硝 铵氧化剂来代替AP。
2.3发射药
对发射药，常以比能量〔火药力Es) 比较不同配方的能量水平: Es=NG· TEX RO· 式中NG---气体摩尔数; RO---气体常 数;TEX---火焰温度。 发射药的燃烧温度越低，由燃烧产物 引起的炮膛及喷嘴的腐蚀越低。当燃烧温 度超过3500K时，燃烧室内的腐蚀特别严 重。燃烧温度低于3000K时，腐蚀一般可 忽略。燃烧尾气平均分子质量低的发射药 具有较好的燃烧效率。
能否制得不敏感弹药的决定因素
• 取决于弹药中所用的组分 • 取决于整个弹药系统 人们常能根据弹药组分的性能， 很好地预测整体弹药的不敏感性。 • 热感度 • 摩擦感度 • 撞击感度，
现有的和新含能材料的感度
炸药 TNT RDX HMX CL-20 TNAZ 摩擦感度/N 353 120 120 54 324 撞击感度 /N· m 15 7.4 7.4 4 6 闪点/℃ 300 230 287 228 >240
比冲 比冲与下述因素有关: · 反应热愈大，比冲愈高; · 燃烧产物的火焰温度愈高，比冲愈大; · 燃烧产物的分子量愈小，比冲愈大。
固体火箭推进剂的燃速随输入系统能 量的增加而增大。
固体火箭推进剂的某些性能数据（7MPa）
推进剂类型 ISP/N·s·kg-1 r/mm·s-1 n 信号 状况
复合推进剂： AP/AI/HTPB/硝铵 低烟复合推进剂： AP/HTPB/硝铵
新旧含能材料性能对比
2.含能材料的应用
2.1炸药
• 密度 爆速和最大爆压均与密度十分有关 。 对高能炸药，材料的密度显然有着重要的 作用。 • 加工性和低感度特征 能否制得不敏感弹药
不敏感弹药的优点
• • • • • • 无自动催化分解; 球形结晶结构形态; 对粘结基质良好的粘结性; 结晶中不存在溶剂和气泡可进人的空隙; 化学纯度高; 相纯度高。
新型含能材料
成员：程东平 张久林 邹娟 潘红吉 张鹏飞
1.引言
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的要求现有的含能材 料还不能同时满足这些要求因而许多研究者 展开了新型含能材料的探索研究。
来自百度文库
最有意义的新研发的含能材料
双基发射药JA-2的比能可达1141J· -1，此 g 值是衡量常规发射药的一个尺度。JA-2配方 含有59.5 %NC及25%DGDN，它的能量水 平已接近由纯NC和硝酸醋增塑剂配方所能 达到的最佳值。但是，可以采用各种技术手 段制得更高能量水平的发射药。 例如，所谓的半硝胺发射药，系以NC 为粘结基质，以硝胺炸药为固体填料制得的， 其能量水平即高于JA-2双基发射药。但半硝 胺发射药的燃烧温度较高，可达约4000K。
从表中可以看出，ε-CL-20的密度最高，因此是人 们感兴趣的晶型。
CL-20具有所有三类含能材料(炸药、 推进剂及发射药)所必备的性能。
• 高密度 • 化学稳定性和热稳定性也很好 ——与大多数粘结剂及增塑剂系统相容。
应用
• 在炸药配方中以CL-20代替HMX，配方的 能量水平可提高10%-15%。 • 将CL-20与含能粘结剂组合，所得固体推进 剂配方低烟，而其能量可达到常规 HTPB/AP配方的水平。 • 由于高的能含量和有利的氧平衡，CL-20也 可用作发射药的含能配方。如果在发射药 中以CL-20代替传统的氧化剂，发射药的能 量可提高10%-15%。
• TNAZ(1，3，3-三硝基氮杂环丁烷); • HNIW(六硝基六氮杂异伍尔兹烷， CL-20); • 0NC(八硝基立方烷); • FOX-7(1，1-二氨基-2，2-二硝基乙 烯); • ADN(二硝酰胺铵)
衡量标准
• 应用领域 • 性能是否充分了解，研制是否成熟 • 安全性问题 • 适当和足够的服役期
复合推进剂
• 优点：爆轰感度较低，且HTPB配方的力学 性能通常甚佳。 • 缺点：摩擦和撞击感度较高。尾气能吸收 所有相关波长的辐射，产生一级和二级信 号，因而很容易被对方侦破。另外，火箭 自身带有的雷达和激光制导系统也会为很 强的尾气信号所干扰。而且，从环保而言， 放出危害环境的大量的氯化氢气体也是很 不希望的，甚至是不允许的。
优点及应用：
•熔点低、密度大、热感度高低、热安定性好、能 量水平好高、熔铸性能好。 •TNAZ特别吸引人的性质是它的熔点低，约100℃。 因此，TNAZ有可能用于一些目前使用TNT的熔铸 炸药中。TNAZ与铝、钢、黄铜及玻璃均相容，且 不吸湿。 •TNAZ适于熔铸工艺——TNAZ与RDX或HMX的 混合物，其熔点仅略有降低(1%-5%)。 •在熔铸炸药中，TNAZ有可能作为“高能TNT”使 用。所有通过熔融工艺制造的炸药(如B炸药及 Octol)均有可能在配方中以TNAZ取代TNT，而制 得能量水平高得多的配方，但采用的制造工艺可 基本相同。
碳原子上大量的硝基基 团和拉伸的环结构 ——分子结构具有 很高的能量
分子
计算密度 /g·cm-3 1.29 1.66 1.77 1.86 1.93 2.13
实测密度/ DSC起始分 g·cm-3 解温度/℃ 1.29 1.66 1.76 1.81 1.96 1.98 257 267 277 ---