纳米含能材料的概念与实践

纳米含能材料的概念与实践

莫红军9赵凤起

(西安近代化学研究所9陕西西安710065)

摘要:纳米含能材料目前正处于从概念向实践发展的过程中,在分析其概念产生背景和概念内涵的基础上9介绍和总结了纳米含能材料的制备~表征~性能以及结构与性能之间关系的研究进展9评述了其应用优越性和可预见的应用领域9也展望了今后深层次研究中的一些主题和在弹药中应用的远景,附参考文献13篇,

关键词:应用化学;纳米含能材料;概念;制备;表征

中图分类号:T@56;TJ55文献标识码:文章编号:1007-7812(2005)03-0079-04

The Concept and Practice of Energetic Nanomaterials

MO Hong-jun9ZH O Feng-gi

(Xi/an Modern Chemistry research Institute9Xi/an7100659China)

Abstract:Energetic nanomaterials offer the potential of extremely high energy release9extraordinary combustion efficiency9high degree of tailorability with regards to rate of energy release9and reduced sensitivity.In this article9the concept issue(background and connotation)of energetic nanomaterials was introduced9and its recent progress in preparation9characterization9properties9relationship between structure and properties was summarized9and its superiority9possible and practical applications was reviewed with13references respectively. In addition9some major problems in further research of energetic nanomaterials and their application in ammunition were also prospected.

Key words:applied chemistry;energetic nanomaterials;concept;preparation;characterization

引言

含能材料及其在武器系统中的应用是国防科技的核心9是武器弹药具备高性能的重要基础,高性能武器弹药的发展对含能材料的综合性能要求越来越高9更强大的功效性能~能量释放的高度可控性~钝感和环境友好是要求的4个主要方面[1~3]9而传统含能材料难以满足这些要求9这是目前含能材料界面临的普遍性问题,一些专家认为发展新型的先进含能材料是解决问题的根本出路[2~3]9在各种新型含能材料的探讨和研究中9含能材料的纳米化技术思路日益为人们所认识和了解9纳米含能材料的概念正逐步形成9其探索实践正深入发展,2001年4月9美国化学会召开了主题为纳米材料的国防应用的第221届全国会议9探讨的四个专题之一就是纳米含能材料[4],美国在纳米含能材料领域的研究工作大约已进行了10年9美国空军2001年在纳米含能材料领域投入的研究经费占其整个纳米技术研究经费的11%[5],美国陆军研究实验室武器与材料研究部的Miziolek博士指出9纳米含能材料正成为美国一个新兴的国家重要技术领域[6],美国陆军在寻求下一代火炸药的基础研究工作框架[2]中9也将纳米含能材料列为重要的研究领域,研究[1~6]表明9纳米含能材料将提供如下潜在性能优势:极高的能量释放速率~超常的燃烧(能量转化)效率~能量释放的高度可调性和降低敏感性9纳米含能材料也可以增强火炸药的力学性能,

1纳米含能材料概念产生的背景

1.1含能材料的共性及发展趋势

所有含能材料在组成上的共性为:都是氧化剂和燃料成分(基团)的组合;在功效发挥过程方面的共性是能量释放过程都以氧化还原反应为基础,含能材料的性能除了与化学组成有关外9还与能量释放过程密切相关,国内文献[7]对当今含能材料的发展趋势给出了如下表述:在武器系统新需求的推动

收稿日期:2005-05-27

作者简介:莫红军(1973-)9男9工程师9从事火炸药及应用技术情报研究,97

第28卷第3期2005年8月

火炸药学报

Chinese Jo!rnal of E"plosi#es$Propellants

下9含能材料的研究已由早先的直接倾向于实际应用发展到现在的基础与应用研究并重9由大量合成和工程研究扩展到能量释放的分子动力学和细观微观和介观结构研究G目前国内外进行的研究是这种发展趋势的具体体现9就是从物质基础方面和介观领域着手研究含能材料的性能问题G

1.2传统含能材料氧化剂燃料的结合**分散尺度及其普遍意义上的性能特点

传统含能材料按氧化剂与燃料的结合方式通常分为两种 1 氧化剂和燃料基团结合**分散尺度处于原子\分子水平的单质含能材料9这类含能材料主要以单质炸药\含能黏合剂和增塑剂为代表9往往是各种实际应用复合含能材料的关键原材料9单质含能材料是氧化性基团与还原性燃料基团在原子分子水平的组装体系 2 氧化剂和燃料组分结合**分散尺度处于宏观微米级物理状态的复合含能材料如含铝混合炸药和复合推进剂等9主要由单质含能材料\燃料\氧化剂以及其它功能组分通过常规物理方式混合后制造成型9是可用氧化剂和燃料组分在宏观尺度上混合组装的复合体系9主要应用于各种含能装置系统G

因受到物质分子化学稳定性和合成方法的限制9目前单质含能材料难以达到理想的氧燃组合及平衡9其密度也难有进一步提高9其能量密度的最高值仅为12m3[8]但单质含能材料中氧化性和还原性基团的分散均匀性最高9达到了微观的原子-分子水平9其能量释放过程及释放速率由其化学反应动力学所控制9与氧化剂燃料间质量传递过程无关反应发生在分子内9能最大限度的发挥其固有的威力G复合含能材料通过合理配方可达到理想的氧-燃平衡9其密度也可以很接近单质含能材料9其最大可能的理论能量密度较单质含能材料高近一倍达23

m3[8]但复合含能材料中主要组分氧化剂\燃料的分散均匀性处于微米级9其能量释放过程除了与其配方组分所固有的性质有关外9主要还受氧化剂还原剂间的质量传递过程所制约9所以实际做功时9目前复合含能材料的能量释放速率和效率一般都不能达到单质含能材料的水平9其高能量密度的优点并不能被充分发挥出来G Simpson[9]认为9含能材料领域一直存在一对难以调和的矛盾就是**更高的能量密度对更大的威力能量的快速\完全释放G综上所述9含能材料应具备高性能的基础条件包括 1 具有理想的氧燃组合及平衡9以达到尽可能高的能量密度9 2 氧化剂燃料结合的尺度及微观结构对能量释放过程的影响要尽可能地小G

1.3传统含能材料在应用中面临的性能问题

含能材料能否成功应用于武器系统的主要考虑因素包括功效性能如能量密度\能量释放速率等\长期贮存安定性和对意外刺激的敏感性钝感弹药特性三个方面9近年来能量释放的高度可调控性也越来越受到关注9传统含能材料在满足上述性能要求方面面临巨大挑战G在固体推进剂方面9当今和将来应用主要提出了高能\提高燃速和燃速可调性\力学性能好\低特征信号\钝感等要求9而目前推进剂领域调控这些性能的常规技术手段难以满足这些要求9往往还相互矛盾G在军用混合炸药方面9如目前含铝混合炸药在能量密度方面很有吸引力9但常规铝粉与氧化剂之间的反应过程制约了其能量释放速率和效率9导致含铝炸药所具有的高能量密度不能有效释放和可控释放9最终影响战斗部的毁伤性能G在火工品方面9高性能起爆器对含能材料装药提出了高起爆威力\高反应灵敏度和灵敏度可精确调控\高安全性和高可靠性的要求9这也是传统含能材料所面临的挑战G 传统含能材料面临的这些问题9目前已形成的一个普遍认识9即这些问题具有本质上的一致性9可归结到含能材料的能量释放动力学方面9与含能材料能量释放过程中的传质\传热过程密切相关G因此9目前要解决的重大基础问题就是在更小的尺度范围内了解其功效发挥能量释放过程的本质特性9并发现和利用这些特性来调控含能材料的性能G

2纳米含能材料的概念

2.1微结构是决定能量释放过程的关键因素

大量的理论和实践研究[10]表明9含能材料的能量释放过程引发\燃烧\爆轰及效能与其微结构氧化剂与燃料的分散-结合尺度密切相关9单质含能材料和复合含能材料的性能特点就是有力的证明G复合含能材料氧化剂燃料分散-结合的尺度及微结构对决定其功效性能的能量释放过程的影响是问题的根本所在G改善复合含能材料体系的微结构\尽量降低其中各组分的分散-结合尺度\提高主要组分的分散均匀性一直以来都是获得高性能配方的主要技术思路9这在显著增强复合含能材料做功时的传质效率\降低质量传递过程对其性能的影响\改善反应性能\使其能量释放效率和速率可根据需要调节方面是有理论和实践依据的9常规复合含能材料制造工艺中的许多技术手段都是这一思路的体现G

2.2含能材料的纳米化技术思路

对于含能材料氧化剂与燃料组分基团间的分散-结合尺度而言9单质含能材料所具有的分子-原子级无疑是最理想的9但理论和实践[8]证明9要实现各种理想氧燃比下的氧化剂-还原剂的分子-原子水平组装是不现实的G复合含能材料领域的大量实践也表明9常规工艺物理混合下组分间的结合尺度大都在微米级以上均质火药是个例外9不能达到更小的尺

08火炸药学报第28卷第3期