超细含能材料制备方法的对比研究

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1、1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，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來越高,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，而传统含能材料难以满足这些要求，这是口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，在各种新型含能材料的探讨和研究中，含能材料的“纳米化”技术思路日益为人们所认识和了解，超细含能材料的概念止逐步形成，其探索实践止深入发展。2001年4月，美国化学会召开了主题为“纳米材料的国防应用”的

2、第21届全国会议,探讨的四个专题之一就是“纳米含能材料”。传统禽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——分散尺度处丁•原子、分子水平的单质含能材料，这类含能材料主要以单质炸一药、含能黏合剂和增塑剂为代表，往往是各种实际应用复合含能材料的关键原材料,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休系；（2）氧化剂和燃料组分结合一一分散尺度处于宏观（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），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，

3、是可用氧化剂和燃料组分在宏观尺度上混合（纽•装）的复合体系，主要应用于各种含能装置系统。因受到物质分子化学稳定性和合成方法的限制，目前单质含能材料难以达到理想的氧/燃组合及平衡，其密度也难有进一步提高，其能量密度的最高值仅为12kJ/cm3,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，达到了微观的原子■分子水平。其能量释放过程及释放速率由其化学反应动力学所控制，与氧化剂/燃料间质量传递过程无关（反应发生在分了内）,能最大限度的发挥其固有的威力。复合含能材料通过合理配方可达到理想的氧■燃平衡，其密度也可以很接近单质含能材料，其最

4、大可能的理论能量密度较单质含能材料高近一•倍（达23kJ/cm3）,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，其能量释放过程除了与其配方组分所固有的性质有关外，主耍还受氧化剂/还原剂间的质量传递过程所制约,所以实际做功时，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，其高能量密度的优点并不能被充分发挥出来。Simpson认为,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）。综上所述，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

5、组合及平衡，以达到尽可能高的能量密度⑴。（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。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，近年来能量释放的高度可调控性也越来越受到关注,传统含能材料在满足上述性能要求方面面临巨大挑战。在固体推进剂方面，当今和将來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，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，往往还相互才盾。军用混

6、合炸药方面，如FI前含铝混合炸药在能量密度方面很有吸引力，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，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，最终影响战斗部的毁伤性能。在火工品方面，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，这也是传统含能材料所面临的挑战。传统含能材料面临的这些问题，目前己形成的一个普遍认识，即这些问题具有本质上的一致性，可归结到含能材料的能量释放（动力学）方面，与含能材料能量释放过程中的传质、传热过程密切和关。因此,目前要解决的

7、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，并发现和利用这些特性来调控含能材料的性能。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,单质含能材料所具有的分子-原子级无疑是最理想的，但理论和实践证明，耍实现各种理想氧燃比下的氧化剂•还原剂的分了•原了水平组装是不现实的。复合含能材料领域的大量实践也表明，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），不能达到更小的尺度。因此，含能材料氧化剂与燃料的纳米级（1〜100nm）尺度组装（超细化）自然就在人们的考虑之中，由

8、此产生了含能材料的“纳米化”技术思路,该思路在物质基础层面为含能材料具备高性能提供了理论上的保证。Simpson认为，釆用氧化剂与燃料组分的纳米级的复合（组装），可以实现高能量密度与高威力（能量释放速率和效率）两种性能优