超高能含能材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
超高能含能材料是一類含有爆炸性基團(tuán)或含有氧化劑和可燃物、能獨(dú)立進(jìn)行快速化學(xué)反應(yīng)并輸出能量的化合物或混和物，其能量比常規(guī)炸藥（通常為103J/g）至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)的新型高能物質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)高效毀傷的核心技術(shù)。這種材料在激發(fā)后，一般不需要外界物質(zhì)參與，即可使化學(xué)反應(yīng)持續(xù)下去，快速釋放出巨大的能量。它是各類武器系統(tǒng)（包括彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈）必不可少的毀傷和動(dòng)力能源材料，是炸藥、發(fā)射藥和推進(jìn)劑配方的重要組分。超高能含能材料目前主要分為兩大類：一類基于化學(xué)能，能量水平為104J/g-105J/g，如:高能/高釋放率材料（納米鋁、納米硼、納米多孔硅等高活性儲(chǔ)能材料）、全氮物質(zhì)（氮原子簇）、金屬氫等；另一類基于物理能，能量水平在105J/g以上，如亞穩(wěn)態(tài)核同質(zhì)異能素、反物質(zhì)材料等。超高能含能材料參與的化學(xué)反應(yīng)具有高速、高壓、高溫反應(yīng)特征和瞬間一次性效應(yīng)的特點(diǎn)，并釋放大量的熱和氣體。
一、國外研究現(xiàn)狀
進(jìn)入21世紀(jì)以來，超高能含能材料因?qū)崿F(xiàn)能量的驚人突破而受到越來越多國家的高度重視。美俄采取積極舉措大力發(fā)展超高能含能材料技術(shù)，并在高活性金屬儲(chǔ)能材料、全氮物質(zhì)、金屬氫和核同質(zhì)異能素研究上率先取得重大突破。在美俄帶動(dòng)下，德國、瑞典、印度和日本等國也紛紛啟動(dòng)相關(guān)發(fā)展計(jì)劃和研究項(xiàng)目，推動(dòng)超高能含能材料的研究與應(yīng)用。
高活性金屬儲(chǔ)能材料。美國不僅研究了納米級(jí)的鋁、鎂、硅、硼等多種高活性儲(chǔ)能材料(采用云霧爆轟方式，其能量可達(dá)5-6倍TNT當(dāng)量)，還將含納米鋁的溫壓炸藥成功裝備成巨型空爆炸彈——“炸彈之母”，其爆炸威力相當(dāng)于11噸TNT；美國曾宣布研制的下一個(gè)88噸TNT當(dāng)量(是俄羅斯“炸彈之父”的兩倍)的高威力巨型炸彈將有可能使用能量水平更高的高活性硼燃料。此外，美國陸軍研究人員還利用納米鋁、硼、硼化鋁和氮化硼納米管等高活性納米金屬燃料積極開發(fā)先進(jìn)高能量密度發(fā)射藥。俄羅斯先后在火炸藥中應(yīng)用了氫化鋁、鋁/氬共生物以及高能離子鹽等超高能含能材料，如威力巨大的巨型炸彈——“炸彈之父”，就是采用7.1噸含活性金屬高能材料燃燒劑的液態(tài)燃料空氣炸藥，爆炸威力達(dá)到6倍TNT當(dāng)量，是美國“炸彈之母”的4倍，其威懾力不亞于核武器。
全氮材料。美國于1998年成功獲了離子型全氮化合物N5，之后陸續(xù)合成出13種含N5的鹽類化合物，得到了性能更穩(wěn)定的全氮材料，其能量密度可達(dá)3-10倍TNT當(dāng)量；美國陸軍還投入專用資金研究亞穩(wěn)合金，亞穩(wěn)合金的能量是RDX等常規(guī)炸藥的6倍以上。2009年，美國陸軍啟動(dòng)了新的聚合氮制備技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，研究聚合氮的低成本制備方法及大批量制備工藝技術(shù)；美國空軍則深層次關(guān)注并研究聚合氮/納米鋁的界面作用。俄羅斯成功獲得了以氮原子立方體結(jié)構(gòu)存在的全氮化合物。2009年，俄羅斯科學(xué)研究院致力開發(fā)以含N4、N8、N6O3等聚合氮為基的推進(jìn)劑配方。德國聯(lián)邦辦公室、國家科學(xué)基金均設(shè)立了專門的研究項(xiàng)目，重點(diǎn)支持多氮或全氮高能材料的合成和性能研究及核同質(zhì)異能素探索性研究。印度重點(diǎn)開發(fā)新型高能及超高能含能材料，目前在N5離子理論研究及高能含能材料的合成上取得了重大突破。以色列西伯萊大學(xué)在聚合氮的安定性研究中，率先發(fā)現(xiàn)了氧原子的加入使N4、N6、N8等聚合氮穩(wěn)定存在的原因。
金屬氫材料。自1935年美國科學(xué)家首次提出金屬氫概念以來，美國在金屬氫的能量特性、轉(zhuǎn)變壓力、穩(wěn)定性、合成機(jī)理和可行性等方面進(jìn)行了大量理論研究。重點(diǎn)研究了氫的絕緣相和金屬相狀態(tài)方程、結(jié)構(gòu)相變、有序-無序相變、絕緣-金屬轉(zhuǎn)變以及金屬氫的性質(zhì)。1966年，美國勞倫斯.利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室成功制得了固態(tài)金屬氫。2009年，美國哈佛大學(xué)試驗(yàn)了用液態(tài)氫(或水)稀釋的金屬氫作為動(dòng)力能源開發(fā)的登月發(fā)射器；還成功開辟了金屬氫制備的新路徑，利用壓-熔點(diǎn)關(guān)系曲線使金屬氫制備所需的壓力降到了44GPa左右。
核同質(zhì)異能素。美國國防部已將超高能含能材料技術(shù)列入發(fā)展中的科學(xué)技術(shù)清單和軍用關(guān)鍵技術(shù)清單，而且把核同質(zhì)異能素用作高能量密度材料的技術(shù)均視為發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)。美國當(dāng)前重點(diǎn)研究的關(guān)鍵材料技術(shù)是鉿-178，可能還包括鋨-187、釔-186、鉭-180和鋅-66等。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)已獲得鉿-178，其產(chǎn)量為萬分之一克以下，目前正在進(jìn)行鉿-178伽瑪射線武器（即鉿彈）的研制。與此同時(shí)，美國勞倫斯.利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室完成了核同質(zhì)異能素用作儲(chǔ)能介質(zhì)的評(píng)價(jià)，鉿等核同質(zhì)異能素的生產(chǎn)和能量釋放控制成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
二、超高能含能材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
近些年來，美俄等國紛紛推出高能量密度材料發(fā)展計(jì)劃，重點(diǎn)關(guān)注并研究了超高能新物質(zhì)，產(chǎn)生一大批科研成果，成為超高能含能材料誕生的重要源泉；同時(shí)制定并落實(shí)各類先進(jìn)含能材料研究計(jì)劃，積極支持高能量密度材料、超高能含能材料技術(shù)的研究與發(fā)展。未來一二十年，超高能含能材料技術(shù)將呈加速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，由于氮原子簇、金屬氫、核同質(zhì)異能素等超高能含能材料具有非常誘人的能量性能，這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將給常規(guī)毀傷技術(shù)和能力帶來一場(chǎng)新的重大變革。超高能含能材料繼續(xù)朝更高能量的方向發(fā)展，即由多氮向高氮、氫合金向金屬氫發(fā)展；能量水平更高的氮原子簇（全氮材料）；金屬氫及金屬氫武器將面臨新的發(fā)展機(jī)遇；核同質(zhì)異能素的應(yīng)用研究步伐將進(jìn)一步加快；超細(xì)粒度的納米含能材料快速發(fā)展。作為一類新型能源物質(zhì)在國防領(lǐng)域新概念武器中的應(yīng)用具有廣闊的應(yīng)用前景。
氮原子簇其高密度、高生成焓、超高能量及爆轟產(chǎn)物清潔無污染，其獨(dú)特的理化性能、安全性能和爆炸（爆轟）性能等不同于傳統(tǒng)含能材料。氮原子簇貯存的能量巨大（比常規(guī)含能材料要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)），將有可能成為火箭的理想燃料，N5的推進(jìn)劑的比沖是肼推進(jìn)劑的2-3倍，一旦研制成功，有望使火箭推進(jìn)劑和炸藥性能取得驚人的突破。
核同質(zhì)異能素技術(shù)發(fā)展是超高能材料領(lǐng)域革命性的創(chuàng)新。作為一種新概念能源物質(zhì)，除用作含能材料外，其潛在的應(yīng)用還包括能量貯存（核同質(zhì)異能素電池）、核同質(zhì)異能素武器、先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)、伽瑪射線激光器、爆炸裝置及其它脈沖功率源等。
對(duì)傳統(tǒng)火炸藥的功能助劑進(jìn)行綠色化、無毒化改造一直備受重視。固態(tài)金屬氫具有能存儲(chǔ)大量能量、單位體積能量很高和對(duì)環(huán)境零污染的特點(diǎn)，因此，具有重大的軍用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，如：用于小體積、遠(yuǎn)射程的火箭、導(dǎo)彈和火箭彈中作為一種高能推進(jìn)劑，每千克固態(tài)金屬氫所產(chǎn)生的推力相當(dāng)于每千克液氫/液氧火箭燃料的5倍；作為一種超高能炸藥，用于大規(guī)模殺傷性武器中或用于制造金屬氫武器，金屬氫的爆炸威力相當(dāng)于相同質(zhì)量TNT炸藥的25-35倍，是目前威力最強(qiáng)大的化學(xué)爆炸物。
含能材料的感度通常隨能量密度的增大而提高，然而，當(dāng)其粒度降至納米級(jí)之后，情況發(fā)生了劇烈變化，不僅能量利用率得以大幅提升，而且沖擊波感度、撞擊感度也大幅下降，因此，超細(xì)的含能材料在爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)、推進(jìn)劑、激光起爆等諸多領(lǐng)域中都有重要的應(yīng)用。目前，納米含能材料越來越受到研究人員的關(guān)注，納米含能材料的制備和應(yīng)用研究已成為科學(xué)界和工程應(yīng)用領(lǐng)域最感興趣的課題之一。