高氮化合物及其含能材料

李彥軍

摘 要：高氮化合物具有熱穩(wěn)定性好、碳?xì)浜康偷奶攸c(diǎn)，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(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展?fàn)顩r，對(duì)四唑環(huán)、四嗪環(huán)和呋咱環(huán)3類高氮含能化合物進(jìn)行重點(diǎn)闡述，分別就其合成、性能和應(yīng)用研究狀況進(jìn)行敘述。同時(shí)探討了高氮含能化合物在未來(lái)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(hào)：TQ2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（a）-0091-01

含能材料在歷史上的發(fā)展進(jìn)程主要包括四個(gè)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(shí)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(dá)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(lái)說(shuō)，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(shí)際上，C2H2N4的結(jié)構(gòu)與苯環(huán)結(jié)構(gòu)相似，即4個(gè)叔胺基（N）取代4個(gè)次甲基（CH）進(jìn)而形成穩(wěn)定的雜環(huán)化合物。在分子取代過(guò)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(lái)的芳香性與堿性都有所提高[2]。在分子的取代過(guò)程中，苯環(huán)上的電子云由于經(jīng)歷了一個(gè)氮轉(zhuǎn)移的過(guò)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(shí)有誘導(dǎo)效應(yīng)的影響作用，進(jìn)而使得苯環(huán)的電子云密度降低到一個(gè)低值。所以四嗪類高氮化合物在實(shí)際應(yīng)用中較難進(jìn)行親電取代反應(yīng)，反而進(jìn)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(dá)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(shuō)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(shí)驗(yàn)中，針對(duì)2H-四唑（b）與1H-四唑（a）的存在已經(jīng)得到了證實(shí)和驗(yàn)證，而5H-四唑（c）的存在則仍在處于證實(shí)階段，這是由于其能量較高故而較難以個(gè)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(dá)式為C2H2ON2，從其結(jié)構(gòu)中能看出呋咱環(huán)含有1個(gè)氧原子和2個(gè)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(wú)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(yùn)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(duì)于鈍感炸藥具有良好的適用性。高氮含能化合物在爆炸過(guò)程中，其速度可以達(dá)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(shuō)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(diǎn)，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(kāi)發(fā)研究中成為新興研究對(duì)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(yùn)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?dú)?，成氣量大，有害物質(zhì)少。相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高氮含能化合物在燃燒過(guò)程中不使用較高敏感性的點(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)證明可達(dá)98%以上，燃速為11.43mm/s（在7MPa下），燃燒過(guò)程中化合物狀況穩(wěn)定，無(wú)明顯的熄火現(xiàn)象。因此，在研究開(kāi)發(fā)相關(guān)的安全氣囊氣體發(fā)生劑時(shí)，通過(guò)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(guò)程中由于不穩(wěn)定性所可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也大大增加了成氣量，減少殘?jiān)伞?/p>

2.3 固體推進(jìn)劑

固體推進(jìn)劑主要是用于導(dǎo)彈等射程較遠(yuǎn)的武器上，這種武器對(duì)能量要求較高。高氮化合物滿足了大型軍事武器對(duì)于能量的要求，它產(chǎn)生的氣體多為氮?dú)?，特征上少煙或無(wú)煙，從而隱蔽性較強(qiáng)，具有在某些方面替代RDX、HMX和AI的潛力。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，固體推進(jìn)劑的能量性能與聚丁二烯推進(jìn)劑（比沖為2 587.2N·S/kg）相比，通過(guò)采用取消AI而以BTATZ直接進(jìn)行替代的方面，從理論的層面上來(lái)說(shuō)，其比沖能夠達(dá)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(jì)算，BTATZ的燃燒壓力指數(shù)為0.48，這說(shuō)明BTATZ的低壓燃燒性能較高。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，對(duì)四嗪、四唑等高氮化合物的研究進(jìn)展較大，從研究成果來(lái)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(shì)，必將成為今后高能材料研究的重要方向。該文只是對(duì)高蛋含能材料進(jìn)行初步探討，至于深入研究，有待后來(lái)者的努力。

參考文獻(xiàn)

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