高氮化合物及其含能材料

李彦军

摘 要：高氮化合物具有热稳定性好、碳氢含量低的特点，在高能材料应用研究中前景广泛，当前这类化合物已成为现代武器中的常用能量载体。该文主要介绍了高氮化合物及其含能材料在国内外的研究进展状况，对四唑环、四嗪环和呋咱环3类高氮含能化合物进行重点阐述，分别就其合成、性能和应用研究状况进行叙述。同时探讨了高氮含能化合物在未来军事领域和航空领域的发展前景。

关键词：高氮化合物 含能材料 发展前景

中图分类号：TQ2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0091-01

含能材料在历史上的发展进程主要包括四个阶段：一是上世纪初TNT的广泛应用；二是上世纪30年代，以黑索金（RDX）和奥克托今（HMX）为代表的含能材料的应用；三是上世纪中叶以后以钝感炸药TATB为代表的含能材料；四是八十年代以后，含能材料高能阶段，如高能钝（低）感炸药[1]。高氮含能化合物在分解后可以生成大量的焓，其内部结构实现了碳、氢、氧含量的平衡，具有作为新型含能材料的条件。

1 高氮含能化合物的合成及结构表征

1.1 四嗪类高氮化合物的合成

四嗪类高氮化合物，其分子表达式为C2H2N4，该类高氮化合物的氮含量为68.3%，碳含量为29.3%，氧含量为2.5%。从结构上来说，C2H2N4与H·ckel的有关规则相符，其化学性质包括有芳香性。实际上，C2H2N4的结构与苯环结构相似，即4个叔胺基（N）取代4个次甲基（CH）进而形成稳定的杂环化合物。在分子取代过程中由于引入了叔胺基，苯环在化学性质上所表现出来的芳香性与碱性都有所提高[2]。在分子的取代过程中，苯环上的电子云由于经历了一个氮转移的过程，C2H2N4的碳原子其电子云的密度出现较为明显的降低现象，同时有诱导效应的影响作用，进而使得苯环的电子云密度降低到一个低值。所以四嗪类高氮化合物在实际应用中较难进行亲电取代反应，反而进行亲核取代反应的几率较大。

1.2 四唑类高氮化合物的合成

由于四嗪类高氮化合物的分子表达式为C2H2N4，其中氮含量为68.3%，碳含量为29.3%，氧含量为2.5%，这就说明，四嗪类高氮化合物是一种含氮量较高的、形态较为稳定的结构单元。在四嗪类高氮化合物的结构图中，其四唑环骨架是一种平面结构，在化学性质上呈现出一种芳香性。就理论的角度而言，四唑母体应当存在着三种不同形态的异构体，即5H-四唑（c）、2H-四唑（b）与1H-四唑（a）。目前在有关研究实验中，针对2H-四唑（b）与1H-四唑（a）的存在已经得到了证实和验证，而5H-四唑（c）的存在则仍在处于证实阶段，这是由于其能量较高故而较难以个体的形态存在。

1.3 呋咱类高氮化合物的合成

呋咱环的分子表达式为C2H2ON2，从其结构中能看出呋咱环含有1个氧原子和2个氮原子，其中氮含量为40%，碳含量为34.3%，氧含量为2.9%。与四嗪四唑环存在明显差异的是，呋咱环的环内存有一种活性氧，而这种活性氧使得呋咱环直接形成一种内侧环的稳定结构。因此与四嗪四唑环相比，呋咱类的高氮化合物无论是从密度还是氧平衡上其数据信息都由于前者，而热稳定性能则较四嗪四唑环差。当前相关研究结果已经显示，呋咱环运用与含有碳、氢、氧、钠等原子的化合物中，效果较为显著，是一种稳定的结构单元。

2 高氮含能化合物的应用

2.1 钝感炸药

四嗪、四唑类高氮含能化合物具有高生成焓的特征，具有相当的安全稳定性，因此对于钝感炸药具有良好的适用性。高氮含能化合物在爆炸过程中，其速度可以达到7 500～8 500m/s，通常情况下，3kg标准的落锤其感度的爆炸高度有55%以上的几率能够维持在25～300cm的范围之间。这说明，RDX是一种感度性能较高的四嗪化合物，与之相比较的大多数化合物的感度性能均呈现出较为明显的顿感特点，而偶氮四唑三氨基胍盐TAGZT和偶氮四唑铵盐AZT的感度与之相近，且只有一些氮含量较高的化合物例如GZT其高度才能基本与RDX持平，而前者则有可能在高能钝感炸药的开发研究中成为新兴研究对象和目标。以LAX-112、BTATZ和DAAT为代表的四嗪化合物满足高能钝感炸药的要求，能够运用在高能钝感炸药上。

2.2 气体发生剂

气体发生剂主要是要求成气量大、燃烧速度快和有害气体少等，高氮含能化合物在燃烧后主要是生成氮气，成气量大，有害物质少。相关研究实验结果显示，高氮含能化合物在燃烧过程中不使用较高敏感性的点火剂，而取而代之以BHT非金属盐，一方面显著地提高了高氮含能化合物的点火性能，另一方面成气量大、有害物质较少，是当前应用较为广泛的新型燃料。BHT非金属盐的气体转化率经实验证明可达98%以上，燃速为11.43mm/s（在7MPa下），燃烧过程中化合物状况稳定，无明显的熄火现象。因此，在研究开发相关的安全气囊气体发生剂时，通过使用含BHT非金属盐的四唑类高氮化合物，一方面消除了传统的气体发生剂在燃烧过程中由于不稳定性所可能产生的风险，另一方面也大大增加了成气量，减少残渣生成。

2.3 固体推进剂

固体推进剂主要是用于导弹等射程较远的武器上，这种武器对能量要求较高。高氮化合物满足了大型军事武器对于能量的要求，它产生的气体多为氮气，特征上少烟或无烟，从而隐蔽性较强，具有在某些方面替代RDX、HMX和AI的潜力。相关实验数据表明，固体推进剂的能量性能与聚丁二烯推进剂（比冲为2 587.2N·S/kg）相比，通过采用取消AI而以BTATZ直接进行替代的方面，从理论的层面上来说，其比冲能够达到2 348.6N·S/kg；在具体的燃烧性能方面，BTATZ体现出了较为明显的高燃、低速、低压力的特征，经科学计算，BTATZ的燃烧压力指数为0.48，这说明BTATZ的低压燃烧性能较高。

3 结语

近年来，对四嗪、四唑等高氮化合物的研究进展较大，从研究成果来看，高氮含能材料有着广泛的发展前景，特别是在军事领域和航空领域，高氮含能材料有着巨大的优势，必将成为今后高能材料研究的重要方向。该文只是对高蛋含能材料进行初步探讨，至于深入研究，有待后来者的努力。

参考文献

[1] 徐复铭，王泽山.重视创新，实现火炸药的跨越式发展[J].火炸药学报，2011，24（2）：1-5.

[2] 徐容，曾贵玉，周小青.TEX的合成及性能[J].中国工程物理研究院科技年报，2011（1）：371-372.

[3] 赵省向，张亦安，王晓峰.EAK基熔铸分子间炸药的能量和撞击感度[J].火炸药学报，2010（3）：29-31，41.