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含能材料的起源及原理

来源:科普中国 作者: 发布时间:2020-12-30 17:11:18 浏览次数: 【字体:

含能材料这个概念,对于很多读者来说是比较陌生的,所谓含能材料,是指在极短时间内能够迅速释放大量能量,并对外做功的物质,含能材料含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物,能独立进行化学反应并输出能量,日常更常见的军用炸药、火药、发射药等形形色色的“药”均属于含能材料的大家族。

含能材料从哪儿来?

一千多年前诞生在我国的黑火药是最早的含能材料,13世纪之后,黑火药伴随着成吉思汗的铁蹄,经由阿拉伯国家传入欧洲世界。在之后的数百年间,黑火药逐渐成长为战争的主要攻击手段。含能材料的出现直接改变了古代战争的作战形式。

1771年,英国人沃尔夫合成了“三硝基苯酚”,其苦味强烈,因此称为“苦味酸”,这种材料显黄色,并作为黄色染料被使用了近一百年的时间,直到一个不知名的伙计在打开装满苦味酸的生锈铁桶时,匆忙之间选择了用铁锤砸开,铁桶被砸开的同时,潘多拉的灾难之盒也随之开启,伴随着一声巨响,半个街区被夷为平地,人类在不经意间,发现了一种比黑火药强大数百倍的新型炸药。

与此同时期,英国化学家霍华德发明了雷汞,并将其作为雷管装药;德国化学家C·F·舍恩拜发明了硝化纤维,并随即将其制成了枪炮发射药;“炸药之父”诺贝尔的一生中先后实现了梯恩梯(TNT)的工业大规模生产,改进了意大利化学家索布雷制得了硝化甘油,使其实现了批量化的安全生产,发明了达纳炸药和胶质达纳炸药。在第二次世界大战结束前,TNT一直是综合性能最好的炸药。 

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松散状态下的TNT炸药 (图片来自网络)

随着化学工业的发展,越来越多的新型炸药问世,其中最有名的当属黑索金(RDX),黑索金又称为旋风炸药,同样重量下,黑索金的威力是TNT的1.58倍。黑索金是当前常规武器装药的主要原材料之一,与TNT共同成为了绝大部分混合炸药和民用炸药的重要组分。

“含能”材料如何“释能”

含能材料,顾名思义是指含有能量的材料,但事实上,含能材料的能量水平不仅不算高,反而低得很,如1gTNT爆炸产生的能量仅4184焦耳(约为1大卡),与之对比,1g食用植物油被人体吸收的热量高达34491J,是前者的近10倍!

那么问题就来了,为什么1gTNT可以把人炸伤,但1g植物油甚至炒菜都嫌少呢?关键点在于两种物质的反应速率显著不同,即功率不同。不同含能材料的化学元素相似,而化学成分千差万别,炸药在受到激发后,分子中的不稳定化学键断开并结合爆炸环境形成稳定的化学键,在这个过程中释放分子势能,反映在宏观上,即为爆炸产生能量,以TNT为例,爆炸反应往往在数微秒之内即可完成(1秒为1000000微秒),是普通化学反应的数百万倍。可以近似的认为,由于时间极短,反应产生的能量来不及与周围环境进行热量交换和压力逸散,爆炸产生的冲击波以7000m/s的速度向前推进,并携带着数千度的高温和几十万个大气压的强大压力,对周围环境造成了剧烈的压缩和破坏效应。

含能材料的发展

随着现代化学化工技术的发展,在国防需求的驱动下,新型含能材料纷纷面世,如硝铵炸药系列的奥克托今(HMX),高密度高氮含量化合物系列的CL-20、八硝基立方烷(ONC)等众多含能材料的爆速已跨越9000m/s的大关,借着计算化学技术发展的东风,这些高新材料已实现了一定规模的量产。

更值得一提的是,2017年南京理工大学合成了世界首个全氮阴离子盐,为我国占领全氮类超高能量密度材料(比常规炸药的能量密度高出一个数量级)的制高点打好了关键基础。近代历史上,没有任何一种含能材料是在中国发明或者首先使用的,南理胡炳成团队为提高我国的核心军事震慑力量做出了历史性的贡献。

含能材料的出现,标志着人类对能量的掌控得到了跨越式的进步,是人类文明发展乃至加速发展的“大功臣”。

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一粒盐大小的全氮类含能材料即可炸毁一个钢化玻璃通风管 (图片来自网络)

划重点:  含能材料含有硝基等爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物,能独立进行化学反应并输出能量,在极短时间(百万分之一秒)内能够迅速释放大量能量,并对外产生数千度的高温和几十万个大气压的强大压力。经过三百年的蓬勃发展,现代含能材料正朝着高可靠性、安全性和高能量密度的方向发展。

终审:甘肃省科协信息中心采编部
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