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对未来短时间内HEDM发展的预测
2014/03/05
IP:河北
本帖最后由 718281828kc 于 2014-3-5 17:12 编辑

一 前言

1.现有HEDM的能量密度(Energy Density, ED),尤其为CHNO型的HEDM已经接近极限,难以大幅度提升;
2.虽然新型特殊结构的HEDM(例如氮原子簇Nn、氧原子簇On、金属氢、亚稳态材料、核同质异能素等等)的能量密度仍有相当大的提升空间,但是现有科技水平无法大量制备,或成本过高无应用价值,且大多数仍停留在理论计算阶段,在短时间内无法大量应用;
3.但是军事发展的需求,仍然会大力推动HEDM的研究发展。在积极探索新型高能量密度材料的同时,会更倾向于改进现有的HEDM,使之具有高能量密度、低感度、良好的安定性、低成本、环境友好等等特点,便于实际应用。

二 有较好发展前景的部分HEDM

1.高张力环/笼型化合物

此类化合物均以复杂的多环结构或小环为框架,有多个含能基团,部分以氮原子嵌入环中,有较高张力能和高生成焓,为现在的研究热点。代表有:
(1)HNIW(CL-20),即六硝基六氮杂异伍兹烷,无疑是目前最著名的HEDM。密度2.04g/cm3,生成焓+460kJ/mol,爆速9380m/s,爆压43GPa,爆热6238kJ/kg,虽然感度较高,但不影响其近乎完美的综合性能,但现在制造成本居高不下,仍未大规模应用。
(2)ONC,即八硝基立方烷,为目前合成的威力最高的HEDM。密度2.10g/cm3(calc.),生成焓+1090kJ/mol(calc.),爆速达到了BT的10100m/s,爆压46.7GPa,而且很诡异的是感度较低。但是其合成步骤长,成本极高(甚至大于黄金价格),且实测密度仅1.98m/s,尚未找到更高密度的晶型,难以应用。
(3)HMX,即环四亚甲基四硝基胺,目前可大规模应用的威力最大的HEDM。密度1.91g/cm3,爆速9100m/s(1.900g/cm3,calc.)/8917m/s(1.893g/cm3,exp.),生成焓+104.8kJ/mol,爆压39.0GPa(1.890g/cm3),爆热5715kJ/kg,感度较高。成本可以接受,工艺较成熟,已应用于导弹战斗部及核武器中。
(4)TEX,一种较新的HEDM。有极大的密度(1.99g/cm3,甚至逼近HNIW),极高的生成焓(+2271.7kJ/mol),爆速由于严重缺氧,仅8170m/s(一说8660m/s),爆压31.4GPa(一说37.0GPa),感度极低(接近TATB)。TEX的熔点低,密度极高,可作熔铸装药的组分,有效提高密度和安全性能。现在正改进合成方法及工艺,成本已经降低,会逐步替代TNT和TATB,前景广阔。
(5)TNAZ,即三硝基氮杂环丁烷。密度1.84g/cm3,生成焓+11.7kJ/mol,爆速8730m/s,爆压37.2GPa,感度低。成本较低,熔点仅101℃,适合作为熔铸装药组分,同时可作为发射药及PBX的组分。

2.氮杂芳环化合物;

此类化合物主要分为多氮杂唑类,多氮杂嗪类,(异)呋咱/氧化呋咱(即氮氧杂唑)类及相关稠环、联多环衍生物。这三类生成焓均很高,其中多氮杂唑类氮含量常常很高(>70%),氢含量低;多氮杂嗪类较稳定;呋咱类氧平衡较好,环含能高,密度高;总之各有特色。代表有:
(1)三唑类衍生物:代表为NTO,即硝基三唑酮。密度1.936g/cm3,爆速8590m/s,爆压27.8GPa(1.710g/cm3),感度较低。但由于有较强酸性(pKa=3.76),常制成金属盐,作为起爆药、发射药、燃料催化剂使用,非金属盐也可直接作主装药,在分子间炸药中也有一定应用。其它代表有ANTA(5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑),其综合感度低,威力大,有望成为IHE(Insensitive High Explosive)的重要候选物。
(2)四唑类衍生物:5-AT(5-amino tetrazole,氨基四唑)、5-NT(5-nitro tetrazole,硝基四唑)、5,5’-AZT(5,5’-azo tetrazole,偶氮四唑)、1,5-DAT(1,5-diamino tetrazole,二氨基四唑)、5,5’-BTA(5,5’-bistetrazole,双四唑),还包括用途较少的叠氮四唑(5-azido tetrazole)、肼基四唑(5-hydrazo tetrazole)、硝胺基四唑(5-nitramino tetrazole)等等。四唑环本身C:N=1:4的优势,使其具有高氮含量的特点。5-AT作为四唑衍生物的前体,可大量合成,成本较低。此类化合物常作为配体来合成含能配合物,例如BNCP、NH4CuNT、CDAT(高氯酸·( 1, 5-二氨基四唑)·五氨合钴(III))等等;还可制成盐类,例如GZT(偶氮四唑二胍)、TAGZT(偶氮四唑三氨基胍盐)、NT/NAT的重金属盐及非金属盐等等。含能极高,密度大,可直接作为主装药,也可作为起爆药、发射药、燃料催化剂、产气剂使用,发展前景广阔。
(3)LLM-105,即2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-N-氧化物。密度1.913g/cm3,生成焓-13.0kJ/mol,爆速8560m/s,爆压无数据,感度低。可作钝感高能炸药,替代TATB。但成本高,现仍在改进合成工艺,尚未大规模应用。
(4)四嗪类衍生物:常为1,2,4,5-四嗪,少见1,2,3,4-四嗪及1,2,3,5-四嗪。1,2,4,5-四嗪类衍生物一般以3,6-对(3,5-二甲基吡唑)均四嗪(BT)为前体,衍生物有3,6-对(5-氨基四唑)-l,2,4,5-四嗪(BTATz)、3,3’-偶氮(6-氨基-1,2,4,5-四嗪(DAAT)及氧化物(DAATOn)、3,6-二氨基-1,2,4,5-四嗪-1,4-二氧化物(LAX-112)、3,6-二胍基-1,2,4,5-四嗪(DGTz)和3,6-二硝基胍-1,2,4,5-四嗪(DNGTz)等等,以硝基、取代呋咱基、氨基、氧原子(即N-氧化)等等与四嗪环相连。还有相关的稠环化合物,例如苯并四嗪、呋咱/氧化呋咱并四嗪等等。氮含量高,稳定性好,密度高,含能高,可作主装药,盐类可作起爆药,应用广泛。
(5)呋咱/氧化呋咱类衍生物:DAF、DAAF、DAOAF、DNOAF、DNF、TAAF、TAOAF、FOF-18等等呋咱类化合物,以及DATF、DNTF、BTF、ANBDF等等氧化呋咱类化合物,结构型式有单环、链式、大环、并环等等。由于呋咱环本身具有一个氧原子及两个氮原子,且环内具有两个弱的N—O键,使得其衍生物具有高氮含量、高生成焓及较好氧平衡的特点,且氢含量低。而氧化呋咱的配位氧使环内存在一个隐硝基,大大提高了生成焓、密度和能量水平,但是同时也增加了感度。引入硝基的方法一般为氧化(S2O82- or H2O2-H2SO4),不会产生废酸等等环境问题。但是产率均较低,成本较高。现在的研究热点在于提高产率、降低合成成本、发展低感度呋咱类衍生物(例如DFCO(3,4-二氰基氧化呋咱))等等方面。同时,一类新型的异呋咱类化合物也开始逐渐发展。异呋咱即为1,2,4-噁二唑,由于环内减少了一个N—O键,在化学式不变的情况下,有效降低了感度,且改变了部分键角,可形成大量分子间氢键,进一步降低其综合感度。而且由于结构原因,成环反应可以大大减少盐酸羟胺的用量(部分化合物甚至不用盐酸羟胺),成本明显下降,而且产率较高。现已合成NAIF/NOA(3-硝基-5-氨基-1,2,4-噁二唑)、NOG(3-硝基-5-胍基-1,2,4-噁二唑)、N-NAIF/NON(3-硝基-5-硝胺基-1,2,4-噁二唑)、NONHT(2-(3'-硝基-1',2',4'-噁二唑-5'-亚胺基)-5-硝基-六氢-1,3,5-三嗪)等等化合物,实测感度明显较呋咱类化合物低,能量水平没有明显下降。NAIF/NOA(3-硝基-5-氨基异呋咱)、N-NAIF(3-硝基-5-硝胺基异呋咱)感度接近TNT,威力接近RDX,已经作为下一代IHE而进行大量研究和试制。
目前发展前景最好的是DNTF(3,4-二(硝基呋咱基)氧化呋咱)。DNTF密度1.931g/cm3,爆速9250m/s(1.925g/cm3,calc.)/8930m/s(1.860m/s,exp.),生成焓+664.3kJ/mol,爆压45.77GPa,爆热5799kJ/kg,撞击感度94%,摩擦感度12%,熔点110℃,安定性良好。DNTF拥有完爆HMX的综合性能,且熔点低(110℃。作为比较,HMX熔点278℃,RDX熔点203℃)、密度大、氧平衡较好、感度低、氮含量高,可作为熔铸装药载体及PBX组分。经过优化反应条件,其综合产率可达到38%左右,成本降至265元/kg(2011年),有望大规模应用。

3.非传统HEDM

这个类别包括全氮物质(氮簇合物)、氧簇合物、亚稳态材料、金属氢、核同质异能素。传统的HEDM是第一个层次,氮/氧簇合物是第二个层次,而亚稳态材料、金属氢、核同质异能素会是第三个层次。这都将是未来很长一段时间的研究重点,而现有的科学技术难以达到第二、三层次。但是,这并不意味着要放弃对其的研究,而将是未来几十年的战略目标。而更为遥远的反物质,则会是发展HEDM的终极目标。在此就不再赘述。

三 结语

现在科学技术发展迅猛,HEDM也随着人类战争的升级而飞速发展。从千年之前中国人发明的黑火药,到18世纪的雷汞、苦味酸,19世纪的硝化纤维、硝化甘油、TNT、Tetryl、PETN、RDX,两次世界大战前后的HMX,20世纪80年代后的TNAZ、HNIW/CL-20,新世纪的ONC、DDF、N5AsF6···各种不同特性的HEDM层出不穷。
经历了一百多年的飞速发展之后,从理论计算上预计CHNO型HEDM的能量密度已经接近极限。想合成比HMX能量提高30%以上的CHNO炸药的可能性是很小的。但在此领域合成感度相当于TATB,能量比TATB提高20%的新的钝感炸药是可以实现的。因而改造现有HEDM,合成具有高能低感特性的IHE仍然具有很大的价值。
要想成倍、成量级地提高炸药的能量,必须采用新的原理和新的贮能方式,采用含有高反应焓的原子(例如B、Si、Al)的化合物和纳米材料,合成多氮化合物以及对一些气体元素(如氢)施加压缩功,使之金属化,变成原子状态转化为内能贮存起来,有可能达此目的。但这些材料在常温常压下的稳定性和应用的可行性可能存在问题。此领域是化学炸药的前沿。
基于核技术的超高能量密度材料(如反物质、同质异能素),如若研制成功,将对战略武器和战术武器系统发生惊人的革命性变化。
也许我们终其一生也无法看到反物质的大规模应用。但是,如果它真的得到了大规模发展,我更希望不要将其相互倾泻到敌国的土地上,而是将这种纯粹的能量用于和平建设。科学也是如此,它赋予了人类改造自己和自然的强大力量,同时也暗含着毁灭一切的可怕能力。而至于科学会改变世界还是毁灭一切,这将取决于人类自己如何使用这把强大的科学双刃剑。我希望,有一天,所有人都会明白,我们只是大自然的很小的一部分,对于地球的时间跨度,人类仅仅经历了几分钟而已。这样,人类会放下争执和误解,共同和平发展。武器源于工具,也定将归于工具。所有的战争都是内战,因为全人类都是同胞。我相信,终有一天,我们可以说,永别了,武器,永别了,战争。
[ 修改于10年8个月前 - 2016/04/13 19:20:31 ]
+50
科创币
Currying
2014/03/05
挺好
+50
科创币
达闻西
2014/03/05
原创!!!
+50
科创币
QQQQQQQ
2014/03/07
辛苦了
12年10个月前IP:未同步
673902
1楼
自己写的。。。
Copyright 718281828[s:12]
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12年10个月前IP:未同步
673963
2楼
有一个小问题。
呋咱你加了DAF,这是不合理的吧。
DAF无爆炸性能
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12年10个月前IP:未同步
673966
3楼
还有你提到了TNAZ。
这个东西蒸汽压太高,根本没有实用价值的。
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12年10个月前IP:未同步
673970
4楼
本帖最后由 718281828kc 于 2014-3-5 23:00 编辑

魅影封喉 发表于 2014-3-5 22:40
有一个小问题。
呋咱你加了DAF,这是不合理的吧。
DAF无爆炸性能


包括前体也写进去了,勿怪。
但是其实DAF还是有一点爆炸性的~就是太弱了
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12年10个月前IP:未同步
673976
5楼
本帖最后由 718281828kc 于 2014-3-5 22:59 编辑

魅影封喉 发表于 2014-3-5 22:41
还有你提到了TNAZ。
这个东西蒸汽压太高,根本没有实用价值的。


还好吧,常温下并不严重,而且综合性能不错。也可以制成PBX废掉这个缺点。
其实一般也没有单独使用TNAZ的,都是制成熔铸orPBX。TNAZ相容性好,感度低,能量水平高,熔点低,还可形成多种低共熔混合物。
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12年10个月前IP:未同步
673978
6楼
718281828kc 发表于 2014-3-5 22:53
还好吧,不是太严重,而且其他性能都不错。也可以制成PBX废掉这个缺点。


这还不严重?
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12年10个月前IP:未同步
673987
7楼
魅影封喉 发表于 2014-3-5 22:56
这还不严重?


TNAZ综合性能还是不错的。。。要不然就没有那么多人研究了~
不过TNAZ由于这个问题,很少作为单独组分应用,都是制成混合物(熔铸orPBX),降低挥发性。
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12年10个月前IP:未同步
674149
8楼
难得看到一个超过100个字的帖子。
-5
科创币
QQQQQQQ
2014/03/07
你如此博学,学术分一定很多,不怕减。
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12年10个月前IP:未同步
674198
9楼
7士 发表于 2014-3-7 04:12
难得看到一个超过100个字的帖子。


写了好几天
就是懒得标参考文献了,要不然又多出好几百字~~~
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