高能量密度材料的發(fā)展及對策

1、增刊 含 能 材 料高能量密度材料的發(fā)展及對策董海山(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900)摘要：使用能量比HMX更高的炸藥對武器系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要，但以一N0：基為致爆基團的 CHNO類炸藥的能量極限只比HMX高約30％。多氮化合物的能量可望比HMX提高數(shù)倍；金屬氫 的能量比HMX高1～2個量級，建議開展理論和實驗研究。基于核技術(shù)的超高能量密度材料，如若 研制成功，將使戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器和空間技術(shù)發(fā)生革命性變化，建議制定

2、規(guī)劃，立即開始基礎(chǔ)性研究。關(guān)鍵詞：高能量密度材料；高能炸藥；多氮化合物；金屬氫；核同質(zhì)異能素1 高能炸藥的合成美蘇使用什么炸藥為主裝藥，在50年代、60年代是保密的。通過調(diào)研，我們認為很可能是重(JB，盧，盧一三硝基 乙基一N一硝基)乙二胺(2號炸藥)和環(huán)四次甲基四硝胺(HMX)。因為這兩個炸藥的爆轟能量和其他性能在當(dāng)時 是最好的。其爆轟性能及與五個核大國第一顆原子彈都使用的TNT／RDX 炸藥對比見表1。從表1可見，HMX和2號炸藥加

3、速金屬的能力分別 02N N。O： 比TNT／RDX提高25％和32％，2號炸藥比HMX高6％。 (N02)3c—cH2一N—cH2一cH2一N—cH2一c(N02)3因此，我們把HMX和2號炸藥作為攻關(guān)的重點，很快合成出 (2號炸藥)了這兩個炸藥(見表2)。僅用3年時間就完成了實驗室合成工藝2 研究和中試，然后，陸續(xù)建廠投產(chǎn)。改革開放以后，我們得知，其他2 2四個核大國的核武器中的炸藥部件，用的都是HMX。在我國合成出上述新化合物若干

4、年之后，國外才陸續(xù)發(fā)表了 02N—Nl NI--N02“12 1這些炸藥的合成方法。可以說，我國炸藥合成工作者曾一度處于 J’。2。發(fā)展的前沿。遺憾的是，這些新炸藥由于各自的缺陷，都未找到實 ：2=：j‘HMx’際應(yīng)用。表1幾種炸藥的性能對比‘11由于軍事需求的牽引，各大國對新的高能炸藥的合成工作一直也沒有停止過。后來美國給高能炸藥一個新 的名稱——高能量密度材料，即具有高能量密度的含能材料。并定義高能密度材料(HEDM)是可用作

5、炸藥、火 藥、推進劑或火工品的高能組分的化合物。并且指出：HEDM的性能即使有很小改善，就可能顯著影響武器系統(tǒng) 的效能。例如：潛射戰(zhàn)略導(dǎo)彈的射程增加10％，就會使?jié)撏щ[蔽的海域增加數(shù)百萬哩，因而會大幅提高戰(zhàn)略武器 的生存能力。因此，美國國防部把HEDM作為優(yōu)先發(fā)展的國防科研的關(guān)鍵技術(shù)之一。增刊 含 能 材 料

6、 3已知的鈍感分子(如NQ，Anta等)為中間體來設(shè)計新的 表3 氨基硝基苯分子的c—NO：鍵長及鍵級‘8IHE。如LLNL合成出了LLM一105。但所有這些不敏感 炸藥的感度都未達到IHE的標(biāo)準(zhǔn)。它們的爆轟能量也 不到HMX的90％。而且還各自有一些缺點，如NTO有 酸性(pk。=3．67)，腐蝕金屬。DADNE的分解溫度較低 (為241℃，而HMX的分解峰值溫度為285℃

7、8;叫)，見表6。它們還有一個共同缺點，即價格昂貴，這也限制了它們的應(yīng)用。我們認為，為了合成能量超過TATB的IHE，使感度 能達到IHE的11項標(biāo)準(zhǔn)¨¨，不應(yīng)當(dāng)大幅改善氧平衡、大 幅提高生成焓和爆熱，主要應(yīng)當(dāng)設(shè)法提高晶體密度，因為 爆壓與密度的平方成正比，而與爆熱的一次方成正比。 另外，氧平衡越大，感度越高，生成焓越大，分子內(nèi)能越 大，越不穩(wěn)定(見第4節(jié))。環(huán)狀化合物的密度較高，氮雜環(huán)和稠環(huán)更高。如苯 的密度為0．

8、8799·cm～，吡啶的密度為0．9829·em一， 而蒽的密度為1．259·cm～。根據(jù)這個思路，我們設(shè)計了一些鈍感炸藥分子(見表7)。表7中的HNTAA分子中各原子都在一個平面上， 是一個很強的共軛體系，用PM一5計算的分子中c—NO： 表4一些炸藥的靜摩擦系數(shù)(，) 鍵長比TATB的C—N0，還要短，因此它的感度不會比 TATB高，由于其密度會高于TATB。氧平衡也略好，因此它的能量會高于TATB。3

9、 CHNO類炸藥的局限性各類兵器中所用的炸藥，迄今都含CHNO四種元 表5 TATB與HMX的導(dǎo)熱系數(shù)及比熱素?？v觀此類炸藥的發(fā)展過程，可以發(fā)現(xiàn)有如下特點。3．1發(fā)展速度十分緩慢 竺翌 』。：：翌：： 』里：(三：鑒2：： 』墮：!三!：鑒：!從1863年首次合成出TNT，到1941年合成出 TATB 1，938 0．544 1．039十5．9

10、5;104THMX，經(jīng)過了78年，能量輸出(E cvl)只提高了79％。到 HMX l，905 0．418 0．964+5．5×104T1987年合成出了目前能量最高，其他性能可以接受的cL．20，又過了46年，E。，。只比HMX提高了6％一8％。而且安全性能都下降了(見圖1、圖2及表8)。3．2能量與感度及穩(wěn)定性間存在本質(zhì)矛盾 炸藥的做功能力決定于其爆轟參數(shù)。根據(jù)爆轟的氣體動力