含能材料情况调研

精选文库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n0.5；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19.6N.s/kg-39.2N.s/kg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1.82g/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/KClO4（28/72，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35m和814m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59.5%提高到至72.6%；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2.002g/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，差距仍然显著。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