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定性好、碳氫含量低的特點，在高能材料應用研究中前景廣泛，當前這類化合物已成為現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外的研究進展狀況，對四唑環、四嗪環和呋咱環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域和航空領域的發展前景。

關鍵詞：高氮化合物 含能材料 發展前景

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

含能材料在歷史上的發展進程主要包括四個階段：一是上世紀初TNT的廣泛應用；二是上世紀30年代，以黑索金（RDX）和奧克托今（HMX）為代表的含能材料的應用；三是上世紀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，其內部結構實現了碳、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構表征

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%。從結構上來說，C2H2N4與H·ckel的有關規則相符，其化學性質包括有芳香性。實際上，C2H2N4的結構與苯環結構相似，即4個叔胺基（N）取代4個次甲基（CH）進而形成穩定的雜環化合物。在分子取代過程中由于引入了叔胺基，苯環在化學性質上所表現出來的芳香性與堿性都有所提高[2]。在分子的取代過程中，苯環上的電子云由于經歷了一個氮轉移的過程，C2H2N4的碳原子其電子云的密度出現較為明顯的降低現象，同時有誘導效應的影響作用，進而使得苯環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用中較難進行親電取代反應，反而進行親核取代反應的幾率較大。

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、形態較為穩定的結構單元。在四嗪類高氮化合物的結構圖中，其四唑環骨架是一種平面結構，在化學性質上呈現出一種芳香性。就理論的角度而言，四唑母體應當存在著三種不同形態的異構體，即5H-四唑（c）、2H-四唑（b）與1H-四唑（a）。目前在有關研究實驗中，針對2H-四唑（b）與1H-四唑（a）的存在已經得到了證實和驗證，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存在。

1.3 呋咱類高氮化合物的合成

呋咱環的分子表達式為C2H2ON2，從其結構中能看出呋咱環含有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%。與四嗪四唑環存在明顯差異的是，呋咱環的環內存有一種活性氧，而這種活性氧使得呋咱環直接形成一種內側環的穩定結構。因此與四嗪四唑環相比，呋咱類的高氮化合物無論是從密度還是氧平衡上其數據信息都由于前者，而熱穩定性能則較四嗪四唑環差。當前相關研究結果已經顯示，呋咱環運用與含有碳、氫、氧、鈉等原子的化合物中，效果較為顯著，是一種穩定的結構單元。

2 高氮含能化合物的應用

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，具有相當的安全穩定性，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標準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化合物的感度性能均呈現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研究中成為新興研究對象和目標。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 氣體發生劑

氣體發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，有害物質少。相關研究實驗結果顯示，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、有害物質較少，是當前應用較為廣泛的新型燃料。BHT非金屬鹽的氣體轉化率經實驗證明可達98%以上，燃速為11.43mm/s（在7MPa下），燃燒過程中化合物狀況穩定，無明顯的熄火現象。因此，在研究開發相關的安全氣囊氣體發生劑時，通過使用含BHT非金屬鹽的四唑類高氮化合物，一方面消除了傳統的氣體發生劑在燃燒過程中由于不穩定性所可能產生的風險，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。相關實驗數據表明，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體現出了較為明顯的高燃、低速、低壓力的特征，經科學計算，BTATZ的燃燒壓力指數為0.48，這說明BTATZ的低壓燃燒性能較高。

3 結語

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展前景，特別是在軍事領域和航空領域，高氮含能材料有著巨大的優勢，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] 徐復銘，王澤山.重視創新，實現火炸藥的跨越式發展[J].火炸藥學報，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].火炸藥學報，2010（3）：29-31，41.