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    含能材料的起源及原理

    來源:科普中國 作者: 發布時間:2020-12-30 17:11:18 瀏覽次數: 【字體:

    含能材料這個概念,對于很多讀者來說是比較陌生的,所謂含能材料,是指在極短時間內能夠迅速釋放大量能量,并對外做功的物質,含能材料含有爆炸性基團或含有氧化劑和可燃物,能獨立進行化學反應并輸出能量,日常更常見的軍用炸藥、火藥、發射藥等形形色色的“藥”均屬于含能材料的大家族。

    含能材料從哪兒來?

    一千多年前誕生在我國的黑火藥是最早的含能材料,13世紀之后,黑火藥伴隨著成吉思汗的鐵蹄,經由阿拉伯國家傳入歐洲世界。在之后的數百年間,黑火藥逐漸成長為戰爭的主要攻擊手段。含能材料的出現直接改變了古代戰爭的作戰形式。

    1771年,英國人沃爾夫合成了“三硝基苯酚”,其苦味強烈,因此稱為“苦味酸”,這種材料顯黃色,并作為黃色染料被使用了近一百年的時間,直到一個不知名的伙計在打開裝滿苦味酸的生銹鐵桶時,匆忙之間選擇了用鐵錘砸開,鐵桶被砸開的同時,潘多拉的災難之盒也隨之開啟,伴隨著一聲巨響,半個街區被夷為平地,人類在不經意間,發現了一種比黑火藥強大數百倍的新型炸藥。

    與此同時期,英國化學家霍華德發明了雷汞,并將其作為雷管裝藥;德國化學家C·F·舍恩拜發明了硝化纖維,并隨即將其制成了槍炮發射藥;“炸藥之父”諾貝爾的一生中先后實現了梯恩梯(TNT)的工業大規模生產,改進了意大利化學家索布雷制得了硝化甘油,使其實現了批量化的安全生產,發明了達納炸藥和膠質達納炸藥。在第二次世界大戰結束前,TNT一直是綜合性能最好的炸藥。 

     走進含能材料大家族系列專題稿件(一)——含能材料的起源及原理

    松散狀態下的TNT炸藥 (圖片來自網絡)

    隨著化學工業的發展,越來越多的新型炸藥問世,其中最有名的當屬黑索金(RDX),黑索金又稱為旋風炸藥,同樣重量下,黑索金的威力是TNT的1.58倍。黑索金是當前常規武器裝藥的主要原材料之一,與TNT共同成為了絕大部分混合炸藥和民用炸藥的重要組分。

    “含能”材料如何“釋能”

    含能材料,顧名思義是指含有能量的材料,但事實上,含能材料的能量水平不僅不算高,反而低得很,如1gTNT爆炸產生的能量僅4184焦耳(約為1大卡),與之對比,1g食用植物油被人體吸收的熱量高達34491J,是前者的近10倍!

    那么問題就來了,為什么1gTNT可以把人炸傷,但1g植物油甚至炒菜都嫌少呢?關鍵點在于兩種物質的反應速率顯著不同,即功率不同。不同含能材料的化學元素相似,而化學成分千差萬別,炸藥在受到激發后,分子中的不穩定化學鍵斷開并結合爆炸環境形成穩定的化學鍵,在這個過程中釋放分子勢能,反映在宏觀上,即為爆炸產生能量,以TNT為例,爆炸反應往往在數微秒之內即可完成(1秒為1000000微秒),是普通化學反應的數百萬倍??梢越频恼J為,由于時間極短,反應產生的能量來不及與周圍環境進行熱量交換和壓力逸散,爆炸產生的沖擊波以7000m/s的速度向前推進,并攜帶著數千度的高溫和幾十萬個大氣壓的強大壓力,對周圍環境造成了劇烈的壓縮和破壞效應。

    含能材料的發展

    隨著現代化學化工技術的發展,在國防需求的驅動下,新型含能材料紛紛面世,如硝銨炸藥系列的奧克托今(HMX),高密度高氮含量化合物系列的CL-20、八硝基立方烷(ONC)等眾多含能材料的爆速已跨越9000m/s的大關,借著計算化學技術發展的東風,這些高新材料已實現了一定規模的量產。

    更值得一提的是,2017年南京理工大學合成了世界首個全氮陰離子鹽,為我國占領全氮類超高能量密度材料(比常規炸藥的能量密度高出一個數量級)的制高點打好了關鍵基礎。近代歷史上,沒有任何一種含能材料是在中國發明或者首先使用的,南理胡炳成團隊為提高我國的核心軍事震懾力量做出了歷史性的貢獻。

    含能材料的出現,標志著人類對能量的掌控得到了跨越式的進步,是人類文明發展乃至加速發展的“大功臣”。

      走進含能材料大家族系列專題稿件(一)——含能材料的起源及原理 

    一粒鹽大小的全氮類含能材料即可炸毀一個鋼化玻璃通風管 (圖片來自網絡)

    劃重點:  含能材料含有硝基等爆炸性基團或含有氧化劑和可燃物,能獨立進行化學反應并輸出能量,在極短時間(百萬分之一秒)內能夠迅速釋放大量能量,并對外產生數千度的高溫和幾十萬個大氣壓的強大壓力。經過三百年的蓬勃發展,現代含能材料正朝著高可靠性、安全性和高能量密度的方向發展。

    終審:甘肅省科協信息中心采編部
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