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        高氮化合物及其含能材料

        2015-07-02 17:50:36李彥軍
        科技資訊 2015年4期
        關(guān)鍵詞:含能材料發(fā)展前景

        李彥軍

        摘 要:高氮化合物具有熱穩(wěn)定性好、碳氫含量低的特點,在高能材料應(yīng)用研究中前景廣泛,當(dāng)前這類化合物已成為現(xiàn)代武器中的常用能量載體。該文主要介紹了高氮化合物及其含能材料在國內(nèi)外的研究進展?fàn)顩r,對四唑環(huán)、四嗪環(huán)和呋咱環(huán)3類高氮含能化合物進行重點闡述,分別就其合成、性能和應(yīng)用研究狀況進行敘述。同時探討了高氮含能化合物在未來軍事領(lǐng)域和航空領(lǐng)域的發(fā)展前景。

        關(guān)鍵詞:高氮化合物 含能材料 發(fā)展前景

        中圖分類號:TQ2 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2015)02(a)-0091-01

        含能材料在歷史上的發(fā)展進程主要包括四個階段:一是上世紀(jì)初TNT的廣泛應(yīng)用;二是上世紀(jì)30年代,以黑索金(RDX)和奧克托今(HMX)為代表的含能材料的應(yīng)用;三是上世紀(jì)中葉以后以鈍感炸藥TATB為代表的含能材料;四是八十年代以后,含能材料高能階段,如高能鈍(低)感炸藥[1]。高氮含能化合物在分解后可以生成大量的焓,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了碳、氫、氧含量的平衡,具有作為新型含能材料的條件。

        1 高氮含能化合物的合成及結(jié)構(gòu)表征

        1.1 四嗪類高氮化合物的合成

        四嗪類高氮化合物,其分子表達式為C2H2N4,該類高氮化合物的氮含量為68.3%,碳含量為29.3%,氧含量為2.5%。從結(jié)構(gòu)上來說,C2H2N4與H·ckel的有關(guān)規(guī)則相符,其化學(xué)性質(zhì)包括有芳香性。實際上,C2H2N4的結(jié)構(gòu)與苯環(huán)結(jié)構(gòu)相似,即4個叔胺基(N)取代4個次甲基(CH)進而形成穩(wěn)定的雜環(huán)化合物。在分子取代過程中由于引入了叔胺基,苯環(huán)在化學(xué)性質(zhì)上所表現(xiàn)出來的芳香性與堿性都有所提高[2]。在分子的取代過程中,苯環(huán)上的電子云由于經(jīng)歷了一個氮轉(zhuǎn)移的過程,C2H2N4的碳原子其電子云的密度出現(xiàn)較為明顯的降低現(xiàn)象,同時有誘導(dǎo)效應(yīng)的影響作用,進而使得苯環(huán)的電子云密度降低到一個低值。所以四嗪類高氮化合物在實際應(yīng)用中較難進行親電取代反應(yīng),反而進行親核取代反應(yīng)的幾率較大。

        1.2 四唑類高氮化合物的合成

        由于四嗪類高氮化合物的分子表達式為C2H2N4,其中氮含量為68.3%,碳含量為29.3%,氧含量為2.5%,這就說明,四嗪類高氮化合物是一種含氮量較高的、形態(tài)較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元。在四嗪類高氮化合物的結(jié)構(gòu)圖中,其四唑環(huán)骨架是一種平面結(jié)構(gòu),在化學(xué)性質(zhì)上呈現(xiàn)出一種芳香性。就理論的角度而言,四唑母體應(yīng)當(dāng)存在著三種不同形態(tài)的異構(gòu)體,即5H-四唑(c)、2H-四唑(b)與1H-四唑(a)。目前在有關(guān)研究實驗中,針對2H-四唑(b)與1H-四唑(a)的存在已經(jīng)得到了證實和驗證,而5H-四唑(c)的存在則仍在處于證實階段,這是由于其能量較高故而較難以個體的形態(tài)存在。

        1.3 呋咱類高氮化合物的合成

        呋咱環(huán)的分子表達式為C2H2ON2,從其結(jié)構(gòu)中能看出呋咱環(huán)含有1個氧原子和2個氮原子,其中氮含量為40%,碳含量為34.3%,氧含量為2.9%。與四嗪四唑環(huán)存在明顯差異的是,呋咱環(huán)的環(huán)內(nèi)存有一種活性氧,而這種活性氧使得呋咱環(huán)直接形成一種內(nèi)側(cè)環(huán)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此與四嗪四唑環(huán)相比,呋咱類的高氮化合物無論是從密度還是氧平衡上其數(shù)據(jù)信息都由于前者,而熱穩(wěn)定性能則較四嗪四唑環(huán)差。當(dāng)前相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)顯示,呋咱環(huán)運用與含有碳、氫、氧、鈉等原子的化合物中,效果較為顯著,是一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元。

        2 高氮含能化合物的應(yīng)用

        2.1 鈍感炸藥

        四嗪、四唑類高氮含能化合物具有高生成焓的特征,具有相當(dāng)?shù)陌踩€(wěn)定性,因此對于鈍感炸藥具有良好的適用性。高氮含能化合物在爆炸過程中,其速度可以達到7 500~8 500m/s,通常情況下,3kg標(biāo)準(zhǔn)的落錘其感度的爆炸高度有55%以上的幾率能夠維持在25~300cm的范圍之間。這說明,RDX是一種感度性能較高的四嗪化合物,與之相比較的大多數(shù)化合物的感度性能均呈現(xiàn)出較為明顯的頓感特點,而偶氮四唑三氨基胍鹽TAGZT和偶氮四唑銨鹽AZT的感度與之相近,且只有一些氮含量較高的化合物例如GZT其高度才能基本與RDX持平,而前者則有可能在高能鈍感炸藥的開發(fā)研究中成為新興研究對象和目標(biāo)。以LAX-112、BTATZ和DAAT為代表的四嗪化合物滿足高能鈍感炸藥的要求,能夠運用在高能鈍感炸藥上。

        2.2 氣體發(fā)生劑

        氣體發(fā)生劑主要是要求成氣量大、燃燒速度快和有害氣體少等,高氮含能化合物在燃燒后主要是生成氮氣,成氣量大,有害物質(zhì)少。相關(guān)研究實驗結(jié)果顯示,高氮含能化合物在燃燒過程中不使用較高敏感性的點火劑,而取而代之以BHT非金屬鹽,一方面顯著地提高了高氮含能化合物的點火性能,另一方面成氣量大、有害物質(zhì)較少,是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的新型燃料。BHT非金屬鹽的氣體轉(zhuǎn)化率經(jīng)實驗證明可達98%以上,燃速為11.43mm/s(在7MPa下),燃燒過程中化合物狀況穩(wěn)定,無明顯的熄火現(xiàn)象。因此,在研究開發(fā)相關(guān)的安全氣囊氣體發(fā)生劑時,通過使用含BHT非金屬鹽的四唑類高氮化合物,一方面消除了傳統(tǒng)的氣體發(fā)生劑在燃燒過程中由于不穩(wěn)定性所可能產(chǎn)生的風(fēng)險,另一方面也大大增加了成氣量,減少殘渣生成。

        2.3 固體推進劑

        固體推進劑主要是用于導(dǎo)彈等射程較遠的武器上,這種武器對能量要求較高。高氮化合物滿足了大型軍事武器對于能量的要求,它產(chǎn)生的氣體多為氮氣,特征上少煙或無煙,從而隱蔽性較強,具有在某些方面替代RDX、HMX和AI的潛力。相關(guān)實驗數(shù)據(jù)表明,固體推進劑的能量性能與聚丁二烯推進劑(比沖為2 587.2N·S/kg)相比,通過采用取消AI而以BTATZ直接進行替代的方面,從理論的層面上來說,其比沖能夠達到2 348.6N·S/kg;在具體的燃燒性能方面,BTATZ體現(xiàn)出了較為明顯的高燃、低速、低壓力的特征,經(jīng)科學(xué)計算,BTATZ的燃燒壓力指數(shù)為0.48,這說明BTATZ的低壓燃燒性能較高。

        3 結(jié)語

        近年來,對四嗪、四唑等高氮化合物的研究進展較大,從研究成果來看,高氮含能材料有著廣泛的發(fā)展前景,特別是在軍事領(lǐng)域和航空領(lǐng)域,高氮含能材料有著巨大的優(yōu)勢,必將成為今后高能材料研究的重要方向。該文只是對高蛋含能材料進行初步探討,至于深入研究,有待后來者的努力。

        參考文獻

        [1] 徐復(fù)銘,王澤山.重視創(chuàng)新,實現(xiàn)火炸藥的跨越式發(fā)展[J].火炸藥學(xué)報,2011,24(2):1-5.

        [2] 徐容,曾貴玉,周小青.TEX的合成及性能[J].中國工程物理研究院科技年報,2011(1):371-372.

        [3] 趙省向,張亦安,王曉峰.EAK基熔鑄分子間炸藥的能量和撞擊感度[J].火炸藥學(xué)報,2010(3):29-31,41.

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