1、含含 能能 材材 料料 应应 用用黄振亚黄振亚.一课程的内涵与地位一课程的内涵与地位 内涵：内涵：复合含能材料复合含能材料火炸药。单质含能化合物是基础。火炸药。单质含能化合物是基础。 地位：地位：武器装备能源，无法从国外引进；涉及国家安全。武器装备能源，无法从国外引进；涉及国家安全。 形势：形势：核心是资源（海洋、太空）的竞争。我国南海、核心是资源（海洋、太空）的竞争。我国南海、东海等周边的安全问题突出。东海等周边的安全问题突出。 美国的霸权行为。美国的霸权行为。 国与国之间关系微妙，国际地位、经济利益的竞争。国与国之间关系微妙，国际地位、经济利益的竞争。 反恐与保障社会安全的需要。（危险品的
2、检测、管理）反恐与保障社会安全的需要。（危险品的检测、管理） 机遇：机遇：国家投入大，研究经费充足，清华大学、中科院等国家投入大，研究经费充足，清华大学、中科院等著名高校和研究机构都积极涉足本领域的科研项目，目前著名高校和研究机构都积极涉足本领域的科研项目，目前人才短缺。人才短缺。.二课程的专业特点二课程的专业特点 安全性：安全性：易燃易爆行业，但不可怕，防护措施严格。易燃易爆行业，但不可怕，防护措施严格。 环保性：环保性：传统工业高能耗、高污染，急需变革。传统工业高能耗、高污染，急需变革。 制约性：制约性：新技术、新材料、新工艺的应用受到安全性的新技术、新材料、新工艺的应用受到安全性的限制；
3、但在经济性方面比民用领域的制约要小得多。限制；但在经济性方面比民用领域的制约要小得多。 经验性：经验性：作用过程具有作用过程具有“三高一短三高一短”的特点，有些参数的特点，有些参数难以正确检测，基础理论还比较薄弱，对不少机理问题认难以正确检测，基础理论还比较薄弱，对不少机理问题认识不清楚。如：高压燃烧反应相关问题（催化剂的作用、识不清楚。如：高压燃烧反应相关问题（催化剂的作用、烟焰问题等），工程应用中不少处于经验和半经验阶段。烟焰问题等），工程应用中不少处于经验和半经验阶段。 复杂性：复杂性：充满各种矛盾，如敏感性（安全性）与作用可充满各种矛盾，如敏感性（安全性）与作用可靠性的矛盾；能量与烧蚀
4、、特征信号的矛盾；等等。靠性的矛盾；能量与烧蚀、特征信号的矛盾；等等。.三课程内容简介与计划三课程内容简介与计划 第一章第一章 绪绪 论：论：基本概念、发展历史简介、地位和作用。基本概念、发展历史简介、地位和作用。 第二章第二章 物理化学性能：物理化学性能：能量、燃烧爆炸、贮存、力学、安全能量、燃烧爆炸、贮存、力学、安全 第三章第三章 能量释放与功能转换：能量释放与功能转换：能量释放形式与特点、作功原能量释放形式与特点、作功原理、功能转换及其调节与控制。理、功能转换及其调节与控制。 第四章第四章 发射药军事应用：发射药军事应用：对发射药的要求、装药应用设计、对发射药的要求、装药应用设计、新型装
5、药技术、应用中的有害现象及其控制。新型装药技术、应用中的有害现象及其控制。 第五章第五章 固体推进剂军事应用：固体推进剂军事应用：固体火箭发动机工作原理、对固体火箭发动机工作原理、对推进剂的要求、装药设计、羽流特征信号及控制技术推进剂的要求、装药设计、羽流特征信号及控制技术 。 第六章第六章 含能材料应用中的安全知识：含能材料应用中的安全知识：安全问题基本特征、安全问题基本特征、引发事故的因素及其安全防护措施引发事故的因素及其安全防护措施 、安全规范。、安全规范。. 1 含能材料基本概念含能材料基本概念 亚稳态物质，大多由亚稳态物质，大多由 C、H、O、N 等元素组成，特征：等元素组成，特征：
6、 具有含能基团，如具有含能基团，如C-NO2、=N-NO2、-O-NO2、-N3、-N=N-等，或含氧化剂、可燃物的混合物。等，或含氧化剂、可燃物的混合物。 主要化学反应是燃烧和爆炸，具有高速、高压、高温反主要化学反应是燃烧和爆炸，具有高速、高压、高温反应特征和瞬间一次性效应特点，并释放大量的热和气体。应特征和瞬间一次性效应特点，并释放大量的热和气体。 化学反应不需要外界供氧，可在隔绝大气条件下进行。化学反应不需要外界供氧，可在隔绝大气条件下进行。 含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、能独立地进行化学反应并输出能量的化合物或混合物
7、。能独立地进行化学反应并输出能量的化合物或混合物。. 能独立进行化学反应并输出能量，是含能材料的重要特征。能独立进行化学反应并输出能量，是含能材料的重要特征。 可应用的含能材料，能量释放必须是有规律和可控制的。可应用的含能材料，能量释放必须是有规律和可控制的。 一些化学键不稳定，一些化学键不稳定，-O-NO2类常温下存在热分解反应，随类常温下存在热分解反应，随温度升高反应速度迅速加快；在外界刺激下容易响应。温度升高反应速度迅速加快；在外界刺激下容易响应。. 实际应用的大多属于含有氧化性基团和可燃性基团的混合实际应用的大多属于含有氧化性基团和可燃性基团的混合含能材料（战斗部炸药、发射药、固体推进
8、剂等）。两类含能材料（战斗部炸药、发射药、固体推进剂等）。两类基团存在于同一化合物的物质也称为爆炸性化合物，大部基团存在于同一化合物的物质也称为爆炸性化合物，大部分爆炸性化合物既是氧化剂又是可燃物。分爆炸性化合物既是氧化剂又是可燃物。 国外有文章将国外有文章将O/C比大于比大于1的化合物称为氧化剂，的化合物称为氧化剂，O/C比小比小于于1的化合物称为可燃物。的化合物称为可燃物。2222 vNuHOzHyCOxCONOHCdcba)(TKuxzyw Kw(T)随随T升高增大。升高增大。Kw(1100K)=1.013； Kw(3000K)=7.296。 能量：反应放热量；气体生成量（与分子量有关）
9、。能量：反应放热量；气体生成量（与分子量有关）。. 2 含能材料的分类及其组成与结构含能材料的分类及其组成与结构 2.1 含能材料的分类含能材料的分类 用途：用途：军用和民用两大类。军用和民用两大类。 军用：火炸药和火工品。包括：发射药、推进剂、炸药、烟军用：火炸药和火工品。包括：发射药、推进剂、炸药、烟火剂、起爆药等。火剂、起爆药等。 民用：民用爆破工业炸药、烟火剂等。用于开矿、土建、油民用：民用爆破工业炸药、烟火剂等。用于开矿、土建、油田、地质勘探、爆炸加工、烟花爆竹、影视拍摄等。田、地质勘探、爆炸加工、烟花爆竹、影视拍摄等。 组成：组成：单组份和混合组份；特征基团（硝基、硝胺等）。单组份
10、和混合组份；特征基团（硝基、硝胺等）。 结构体系：结构体系：均质和非均质、单基和多基。均质和非均质、单基和多基。 其它：其它：按性能特点：高能低烧蚀、高能低特征信号、低易按性能特点：高能低烧蚀、高能低特征信号、低易损性等；按制备工艺：浇铸、压装等。损性等；按制备工艺：浇铸、压装等。. 含能化合物是混合含能材料的基础。含能化合物是混合含能材料的基础。 传统的有含传统的有含C-NO2、=N-NO2和和-O-NO2的三类单质炸药：的三类单质炸药：硝硝基炸药基炸药（如梯恩梯三硝基甲苯）、（如梯恩梯三硝基甲苯）、硝胺炸药硝胺炸药（如黑索金（如黑索金环三亚甲基三硝胺、奥克托金环四亚甲基四硝胺）、环三亚甲基
11、三硝胺、奥克托金环四亚甲基四硝胺）、硝酸硝酸酯炸药酯炸药（如硝化棉、硝化甘油丙三醇三硝酸酯、太安季（如硝化棉、硝化甘油丙三醇三硝酸酯、太安季戊四醇四硝酸酯等）。戊四醇四硝酸酯等）。 新型含能化合物：新型含能化合物：1,3,3-三硝基氮杂环丁烷三硝基氮杂环丁烷TNAZ；三氨基胍；三氨基胍叠氮化物叠氮化物TAGAZ；1,5-二叠氮二叠氮-3-硝基氮杂戊烷硝基氮杂戊烷DIANP；聚叠聚叠氮缩水甘油醚氮缩水甘油醚GAP；3-叠氮甲基叠氮甲基-3-甲基环氧丁烷甲基环氧丁烷AMMO；3,3- 双叠氮甲基环氧丁烷双叠氮甲基环氧丁烷 BAMO等叠氮化合物；二硝酰胺盐等叠氮化合物；二硝酰胺盐ADN；六硝基六氮杂
12、异伍兹烷；六硝基六氮杂异伍兹烷CL-20；等等。；等等。. 2.2 含能材料的组成与结构含能材料的组成与结构 火药（发射药和推进剂）基本组份火药（发射药和推进剂）基本组份 粘合剂粘合剂 可增塑的热塑性大分子：可增塑的热塑性大分子：由棉纤维、木纤维等酯化得到的硝由棉纤维、木纤维等酯化得到的硝化纤维素（棉纤维硝酸酯硝化棉化纤维素（棉纤维硝酸酯硝化棉NC）。）。 问题：热稳定性、敏感性，玻璃化温度较高，工艺性、环保问题：热稳定性、敏感性，玻璃化温度较高，工艺性、环保性等。采用键合剂等功能材料，无法解决性等。采用键合剂等功能材料，无法解决NC的本质问题。的本质问题。OHnONOOHOHCHNOnOHO
13、HCnSOHn22327633276 )()( )(42. 可固化交联反应形成弹性体的热固性高分子：可固化交联反应形成弹性体的热固性高分子：聚氨酯、聚丁聚氨酯、聚丁二烯（端羟基二烯（端羟基 HTPB、端羧基、端羧基 CTPB ）、聚醚等。聚醚聚氨）、聚醚等。聚醚聚氨酯与酯与NC一样可以被硝酸酯增塑，也可形成三维网络的弹性一样可以被硝酸酯增塑，也可形成三维网络的弹性体，力学性能好，可充填体，力学性能好，可充填70%80%的高能固体组份。的高能固体组份。 在高分子上引入含能基团的粘合剂：在高分子上引入含能基团的粘合剂：含有叠氮基的聚叠氮缩含有叠氮基的聚叠氮缩水甘油醚（水甘油醚（GAP）作为推进剂的
14、粘结剂。）作为推进剂的粘结剂。 借鉴固体推进剂经验，开始研究含能高分子化合物取代借鉴固体推进剂经验，开始研究含能高分子化合物取代NC作发射药的粘合剂。如作发射药的粘合剂。如BAMO（3,3-二叠氮甲基环氧丁烷）二叠氮甲基环氧丁烷）/AMMO（3-叠氮甲基叠氮甲基-3-甲基环氧丁烷）共聚物、甲基环氧丁烷）共聚物、GAP（聚（聚叠氮缩水甘油醚）、叠氮缩水甘油醚）、NIMMO（聚（聚3-硝氧甲基硝氧甲基 -3-甲基氧杂环甲基氧杂环丁烷）等。本身具有较高能量（有较大的正生成热）。丁烷）等。本身具有较高能量（有较大的正生成热）。. 增塑剂增塑剂 含能增塑剂：含能增塑剂：双基药（发射药、推进剂）双基药（发
15、射药、推进剂） 主要用多元醇硝酸酯，如硝化甘油主要用多元醇硝酸酯，如硝化甘油NG、硝化二乙二醇、硝化二乙二醇DEGN、硝化三乙二醇、硝化三乙二醇TEGN、丁三醇三硝酸酯、丁三醇三硝酸酯BTTN等。等。NG的能量、爆温、烧蚀、感度高。用的能量、爆温、烧蚀、感度高。用DEGN或或TEGN代替或代替或部分代替部分代替NG，可降低爆温，对高氮量，可降低爆温，对高氮量NC的溶塑能力好。的溶塑能力好。 惰性增塑剂：惰性增塑剂：溶塑溶塑NC成为可塑性药料。常用乙醇、乙醚、成为可塑性药料。常用乙醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯等挥发性溶剂；苯二甲酸二丁酯、苯二甲酸丙酮、乙酸乙酯等挥发性溶剂；苯二甲酸二丁酯、苯二甲酸二
16、辛酯、甘油三醋酸酯等非挥发性溶剂。挥发性成份在发射二辛酯、甘油三醋酸酯等非挥发性溶剂。挥发性成份在发射药加工成型后被驱除。药加工成型后被驱除。. 高能添加剂：高能添加剂：黑索今黑索今(RDX)、奥克托今、奥克托今(HMX)等；六硝等；六硝基六氮杂异伍尔兹烷（基六氮杂异伍尔兹烷（CL-20）和二硝酰胺铵（）和二硝酰胺铵（ADN）等；）等；推进剂还采用高氯酸铵、硝酸铵等。生成焓和密度大。推进剂还采用高氯酸铵、硝酸铵等。生成焓和密度大。 高能燃烧剂（推进剂）：高能燃烧剂（推进剂）：轻金属及其氢化物，燃烧放热量大，轻金属及其氢化物，燃烧放热量大，提高燃烧温度获得高能量。广泛使用铝粉。一些轻金属的氢提高
17、燃烧温度获得高能量。广泛使用铝粉。一些轻金属的氢化物燃烧时放热量比轻金属更高，气体分子量低，但化学活化物燃烧时放热量比轻金属更高，气体分子量低，但化学活性高，对空气湿度敏感，热稳定性低。性高，对空气湿度敏感，热稳定性低。CH2CH2-ONO2OCH2-CH2-ONO2CH2-CH2-ONO2OCH2CH2OCH2-CH2ONO2 NG DEGN TEGN RDX. 安定剂和防老剂：安定剂和防老剂：抑制分解和老化，延长贮存和使用寿命抑制分解和老化，延长贮存和使用寿命 NC等硝酸酯化合物始终存在缓慢化学分解，氮氧化物产物等硝酸酯化合物始终存在缓慢化学分解，氮氧化物产物又加速分解，加入少量安定剂吸收
18、氮氧化物，减缓自动催化又加速分解，加入少量安定剂吸收氮氧化物，减缓自动催化反应，延长储存年限。反应，延长储存年限。 硝酸酯对碱性敏感硝酸酯对碱性敏感(皂化反应皂化反应)，采用弱碱性物质。常用安定，采用弱碱性物质。常用安定剂为二苯胺、剂为二苯胺、1号中定剂号中定剂二乙基二苯基脲，二乙基二苯基脲，2号中定剂号中定剂二二甲基二苯基脲，甲基二苯基脲，3号中定剂号中定剂甲基乙基二苯基脲等脲素衍生物，甲基乙基二苯基脲等脲素衍生物，作用是吸收硝酸酯缓慢分解产生的氮氧化物。作用是吸收硝酸酯缓慢分解产生的氮氧化物。 复合推进剂中加入防老剂，常用的有二苯基对苯二胺（防老复合推进剂中加入防老剂，常用的有二苯基对苯二
19、胺（防老剂）等。作用是吸收高分子链降解产生的初级自由基。剂）等。作用是吸收高分子链降解产生的初级自由基。. 燃烧性能调节剂（催化剂）：燃烧性能调节剂（催化剂）：调节燃速及其压力指数、温调节燃速及其压力指数、温度系数等燃烧性能。降低压力指数可减少燃速受压力的影响，度系数等燃烧性能。降低压力指数可减少燃速受压力的影响，甚至在一定压力范围内获得甚至在一定压力范围内获得 “平台平台” 效应。效应。 推进剂：化学方法：推进剂：化学方法：添加燃速催化剂（正、负催化剂），常添加燃速催化剂（正、负催化剂），常用的有：用的有：Pb、Cu、Fe等无机金属氧化物；水杨酸铅、苯二等无机金属氧化物；水杨酸铅、苯二甲酸铅
20、、己二酸铜等有机金属化合物；二茂铁及其衍生物。甲酸铅、己二酸铜等有机金属化合物；二茂铁及其衍生物。发展方向是含能催化剂和纳米催化剂。发展方向是含能催化剂和纳米催化剂。物理方法：物理方法：添加一些添加一些增加热传导速率的金属丝或碳纤维，可在沿金属丝轴向大幅增加热传导速率的金属丝或碳纤维，可在沿金属丝轴向大幅度提高燃速，提高发动机推力。度提高燃速，提高发动机推力。 发射药：发射药：主要针对硝胺发射药压力指数大和燃速压力曲线主要针对硝胺发射药压力指数大和燃速压力曲线转折问题研究得较多。德国研究了燃速温度零梯度的配方。转折问题研究得较多。德国研究了燃速温度零梯度的配方。.010020030040001
21、2345dH/dt (mw)190.36245.42207.581.35kJ/gtemperature050100150200250300051015202530RG-cu / cm s-1P / MPa3.64.04.44.85.25.61.21.62.02.42.83.2RG-cLnu / cm s-1LnP / MPa. 固化剂、交联剂和偶联剂：固化剂、交联剂和偶联剂：固化剂固化剂是热固性粘合剂的组成是热固性粘合剂的组成部分（异氰酸酯、环氧化合物等），使粘合剂的预聚体形成部分（异氰酸酯、环氧化合物等），使粘合剂的预聚体形成大分子结构。大分子结构。交联剂交联剂的作用是联结大分子链形成网状结
22、构。的作用是联结大分子链形成网状结构。偶联剂偶联剂也称键合剂，增强高分子粘合剂基体与固体填料之间也称键合剂，增强高分子粘合剂基体与固体填料之间的相互作用，改善力学性能。的相互作用，改善力学性能。 工艺附加物：工艺附加物：石蜡可减少药料对机器的粘附作用；凡士林石蜡可减少药料对机器的粘附作用；凡士林可降低药料分子间的摩擦力；硬脂酸锌可减少药料与设备之可降低药料分子间的摩擦力；硬脂酸锌可减少药料与设备之间的外摩擦力；固化催化剂可加快复合推进剂的固化反应。间的外摩擦力；固化催化剂可加快复合推进剂的固化反应。 其它附加物：其它附加物：TiO2 等作降烧蚀剂；石墨光泽药粒表面提高等作降烧蚀剂；石墨光泽药粒
23、表面提高流散性，增大装填密度和导电性（除静电）；流散性，增大装填密度和导电性（除静电）；KNO3形成多孔形成多孔高燃速；高燃速；KNO3、K2SO4和松香等作消焰剂；电子捕获剂减少和松香等作消焰剂；电子捕获剂减少燃气对微波的衰减，等燃气对微波的衰减，等。. 代表性的发射药代表性的发射药 单基药：单基药：以以NC为主要组份，含量一般在为主要组份，含量一般在85以上，其余以上，其余为附加成分（如二硝基甲苯等）和安定剂（二苯胺）。主为附加成分（如二硝基甲苯等）和安定剂（二苯胺）。主要采用醇醚溶剂溶塑要采用醇醚溶剂溶塑 NC 挤压成型；内溶法成球工艺。挤压成型；内溶法成球工艺。 能量较低；性能稳定、力
24、学性能好。能量较低；性能稳定、力学性能好。 双基药：双基药：主要由主要由NC、NG和附加组份组成。有溶剂法和附加组份组成。有溶剂法（柯达型）和无溶剂法（巴利斯太型）挤压成型工艺；内（柯达型）和无溶剂法（巴利斯太型）挤压成型工艺；内溶法成球工艺。溶法成球工艺。 增塑剂含量高时在高温下容易变软，低温下脆性增大；对增塑剂含量高时在高温下容易变软，低温下脆性增大；对表面钝感处理有限制。表面钝感处理有限制。. 三基药：三基药：在双基药中加入硝基胍在双基药中加入硝基胍(NGU)、黑索今、黑索今(RDX)、奥克托今奥克托今(HMX)等高能固体炸药，溶剂法挤压成型工艺。能等高能固体炸药，溶剂法挤压成型工艺。能
25、量高，但力学性能不好。量高，但力学性能不好。 低易损（不敏感）药：低易损（不敏感）药：主要由主要由7085的的RDX或或HMX 、1530的粘合剂和其它附加物组成（不含硝酸酯）。力学的粘合剂和其它附加物组成（不含硝酸酯）。力学性能问题、能量与敏感性有矛盾。性能问题、能量与敏感性有矛盾。 液体药：液体药：代表性的液体药由硝酸羟胺代表性的液体药由硝酸羟胺(HAN)、三乙醇胺硝、三乙醇胺硝酸盐（酸盐（TEAN）和水（）和水（H2O）组成。）组成。根据装药设计要求加根据装药设计要求加工成不同形状尺寸。工成不同形状尺寸。挤压成型工艺、制球挤压成型工艺、制球工艺。工艺。. 代表性的推进剂代表性的推进剂 双
26、基推进剂：双基推进剂：以以NC和和多元醇硝酸酯（多元醇硝酸酯（NG等）等）为基本成为基本成份份， 添加燃速催化剂、安定剂等组分。可挤压成型和浇铸添加燃速催化剂、安定剂等组分。可挤压成型和浇铸成型。质量均匀、性能稳定、有平台效应、低特征信号；成型。质量均匀、性能稳定、有平台效应、低特征信号；能量低、低温力学性能差。能量低、低温力学性能差。 复合推进剂：复合推进剂：以高分子预聚物与固化剂反应交联成三维以高分子预聚物与固化剂反应交联成三维网络粘合剂，辅以网络粘合剂，辅以固体氧化剂、金属燃料粉和其它附加组固体氧化剂、金属燃料粉和其它附加组份。氧化剂通常采用份。氧化剂通常采用AP、RDX、HMX等；金属
27、燃料主要等；金属燃料主要采用铝粉；粘合剂种类很多，如最早的沥青、聚硫橡胶、采用铝粉；粘合剂种类很多，如最早的沥青、聚硫橡胶、聚氯乙烯到目前的聚氨酯、聚丁二烯类等。聚氯乙烯到目前的聚氨酯、聚丁二烯类等。 端羧基聚丁二烯端羧基聚丁二烯(CTPB)推进剂；端羟基聚丁二烯推进剂；端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂，综合性能好。推进剂，综合性能好。. 复合改性双基（复合改性双基（CMDB）推进剂：）推进剂：为克服双基推进剂能为克服双基推进剂能量低、装药直径受限制等缺点，在双基推进剂量低、装药直径受限制等缺点，在双基推进剂 (NC、NG)基基础上加入高能固体组分础上加入高能固体组分(AP、RDX、HMX和和
28、Al粉等粉等)。能量。能量高、密度大；缺点是力学性能较差，使用温度范围较窄。用高、密度大；缺点是力学性能较差，使用温度范围较窄。用交联剂对交联剂对NC中剩余的羟基进行交联，可改善力学性能。可中剩余的羟基进行交联，可改善力学性能。可采用浇铸工艺制造复杂药型和大直径装药。采用浇铸工艺制造复杂药型和大直径装药。 交联改性双基交联改性双基(XLDB）推进剂：）推进剂：在复合改性双基推进剂在复合改性双基推进剂组分内引入带活性基团的高分子粘合剂或多官能度的交联剂，组分内引入带活性基团的高分子粘合剂或多官能度的交联剂，使粘合剂大分子主链间生成网络结构。由惰性预聚物、使粘合剂大分子主链间生成网络结构。由惰性预
29、聚物、NC、NG、HMX、铝粉和安定剂组成。力学性能好。、铝粉和安定剂组成。力学性能好。. 硝酸酯增塑的聚醚硝酸酯增塑的聚醚(NEPE)推进剂：推进剂：以聚乙二醇或环氧乙以聚乙二醇或环氧乙烷四氢呋喃共聚醚为高分子粘合剂，烷四氢呋喃共聚醚为高分子粘合剂，NG 和和1,2,4-丁三醇丁三醇三硝酸酯等混合硝酸酯为增塑剂，添加三硝酸酯等混合硝酸酯为增塑剂，添加HMX、AN 和和Al粉粉等高能固体组份。综合了双基推进剂和复合推进剂的优点。等高能固体组份。综合了双基推进剂和复合推进剂的优点。是目前能量水平、力学性能最好的推进剂。是目前能量水平、力学性能最好的推进剂。I理 论理 论高达高达2650Ns/kg
30、以上，以上，I实测实测最大最大2500Ns/kg左右。左右。 低特征信号推进剂、高燃速推进剂和缓燃推进剂等。低特征信号推进剂、高燃速推进剂和缓燃推进剂等。 根据弹道性能要求，设计管状、星孔、车轮型等形状，为减根据弹道性能要求，设计管状、星孔、车轮型等形状，为减少热散失和保护发动机壳体，采用绝热包复层等。少热散失和保护发动机壳体，采用绝热包复层等。.固体推进剂药柱形状示意图固体推进剂药柱形状示意图. 平衡压力工作段压力下降段启动段Pt.挤压成型工艺：挤压成型工艺：尺寸受限制，一般尺寸受限制，一般 300mm，药型简单（管，药型简单（管状及星孔等横截面尺寸不变的药柱），适用于自由装填；高状及星孔等
31、横截面尺寸不变的药柱），适用于自由装填；高能敏感组份受到安全性的限制。能敏感组份受到安全性的限制。浇铸成型工艺：浇铸成型工艺：尺寸不受限制，最大直径已达尺寸不受限制，最大直径已达3m左右，可生左右，可生产各种复杂药型和壳体粘结式装药；工艺条件缓和，配方适产各种复杂药型和壳体粘结式装药；工艺条件缓和，配方适应性广，可加入高能敏感组份，获得更高的能量。应性广，可加入高能敏感组份，获得更高的能量。 粒铸工艺：粒铸工艺：大批量浇铸药粒的混同可保证产品性能的高度大批量浇铸药粒的混同可保证产品性能的高度再现性，并可准确调整配方的组份和燃速。再现性，并可准确调整配方的组份和燃速。 配浆浇铸工艺：配浆浇铸工艺
32、：可在配浆过程中改变组份及含量，配方灵可在配浆过程中改变组份及含量，配方灵活多变，研制周期短，适于配方筛选（粒铸工艺中改变配方活多变，研制周期短，适于配方筛选（粒铸工艺中改变配方要从浇铸药粒的制备开始，并需对浇铸工艺反复试验）。要从浇铸药粒的制备开始，并需对浇铸工艺反复试验）。. 混合炸药的基本组份混合炸药的基本组份 氧化剂：氧化剂：硝酸铵、硝酸钾等硝酸盐；氯酸钾、氯酸钠等氯硝酸铵、硝酸钾等硝酸盐；氯酸钾、氯酸钠等氯酸盐；高氯酸铵、高氯酸钾等高氯酸盐；酸盐；高氯酸铵、高氯酸钾等高氯酸盐；TNT等硝基化合物；等硝基化合物；黑索今、奥克托今等硝胺化合物。（铵黑索今、奥克托今等硝胺化合物。（铵梯、梯
33、梯、梯黑）黑） 可燃剂：可燃剂：碳氢化合物是最常用的可燃剂。但在能量上，某碳氢化合物是最常用的可燃剂。但在能量上，某些氢化物（如硼烷）和金属元素（如铍、锂、硼、铝）更好。些氢化物（如硼烷）和金属元素（如铍、锂、硼、铝）更好。现代高能混合炸药中加入金属粉及高能氢化物。现代高能混合炸药中加入金属粉及高能氢化物。 粘结剂：粘结剂：粘结各组份，改善加工性能。粘结各组份，改善加工性能。a. 非爆炸性粘结剂：非爆炸性粘结剂：如聚醋酸乙烯酯、聚异丁烯、聚酰胺、天然橡胶和合成橡胶如聚醋酸乙烯酯、聚异丁烯、聚酰胺、天然橡胶和合成橡胶等；等；b. 活性粘结剂：活性粘结剂：含有硝基或爆炸性基团，如聚丙烯酸季含有硝基
34、或爆炸性基团，如聚丙烯酸季戊四醇三硝酸酯等。戊四醇三硝酸酯等。. 增塑剂：增塑剂：降低粘结剂的玻璃化温度，增加塑性。降低粘结剂的玻璃化温度，增加塑性。a. 活性增活性增塑剂：塑剂：NG和吉纳（和吉纳（DINA）等硝酸酯类、）等硝酸酯类、TNT等硝基类低熔等硝基类低熔点炸药；点炸药；b. 酯类增塑剂：酯类增塑剂：邻苯二甲酸二辛酯等；邻苯二甲酸二辛酯等；c. 油类增塑油类增塑剂：剂：既有增塑作用又有一定钝感作用，凡士林、润滑油等。既有增塑作用又有一定钝感作用，凡士林、润滑油等。 钝感剂：钝感剂：降低感度，保证安全。阻止热点形成和传播的热降低感度，保证安全。阻止热点形成和传播的热点钝感；吸收热点热量
35、的吸热钝感点钝感；吸收热点热量的吸热钝感 (大比热容大比热容)；阻止热量传；阻止热量传导的绝热钝感（导热率小）。导的绝热钝感（导热率小）。 a. 蜡类钝感剂：蜡类钝感剂：地蜡、石蜡、蜂蜡等。综合性能较好，但对地蜡、石蜡、蜂蜡等。综合性能较好，但对感度较高的炸药，须加入感度较高的炸药，须加入5%10%才有效，能量损失大。才有效，能量损失大。 b. 高聚物钝感剂：高聚物钝感剂：可有效降低机械感度，而且改善机械性能可有效降低机械感度，而且改善机械性能和成型性能。如用聚丙烯腈包覆黑索今。和成型性能。如用聚丙烯腈包覆黑索今。 c. 活性钝感剂：活性钝感剂：在在TNT/RDX炸药中，炸药中，TNT有钝感作
36、用。有钝感作用。. 敏化剂：敏化剂：某些炸药（特别是工业炸药）的起爆感度较某些炸药（特别是工业炸药）的起爆感度较低，甚至不容易起爆或爆炸不完全，需要进行敏化，提高低，甚至不容易起爆或爆炸不完全，需要进行敏化，提高其起爆感度并使爆轰稳定传播。其起爆感度并使爆轰稳定传播。 其它添加剂：其它添加剂：增强硝铵炸药（硝酸铵）防结块性和防增强硝铵炸药（硝酸铵）防结块性和防湿抗水性的表面活性剂；改善安定性的安定剂；防止高聚湿抗水性的表面活性剂；改善安定性的安定剂；防止高聚物老化的防老剂；制备低密度炸药和浆状炸药的发泡剂；物老化的防老剂；制备低密度炸药和浆状炸药的发泡剂；制备热固性炸药的固化剂；防止固相过快沉
37、降的稠化剂制备热固性炸药的固化剂；防止固相过快沉降的稠化剂（如（如NC）；对于含铝炸药，防止水份侵蚀铝粉的吸水剂）；对于含铝炸药，防止水份侵蚀铝粉的吸水剂（如氯化钙）（如氯化钙） ；等等。；等等。. 代表性的混合炸药代表性的混合炸药 以以TNT为载体的混合炸药：为载体的混合炸药：两种或两种以上单质炸药两种或两种以上单质炸药的混合物，在熔融状态下铸装成型。如梯黑炸药，由的混合物，在熔融状态下铸装成型。如梯黑炸药，由TNT和和RDX按比例混合。按比例混合。 高聚物粘结炸药：高聚物粘结炸药：以粉状高能炸药为主体，加入高聚物以粉状高能炸药为主体，加入高聚物粘结剂、增塑剂、钝感剂和其它添加剂。粘结剂、增
38、塑剂、钝感剂和其它添加剂。 浇铸固化炸药：浇铸固化炸药：将液态高聚物或可聚合的单体与单质炸将液态高聚物或可聚合的单体与单质炸药混合，再加入固化剂等固化成型。药混合，再加入固化剂等固化成型。 含金属粉混合炸药：含金属粉混合炸药：加入高热值金属粉（如铝粉、镁粉加入高热值金属粉（如铝粉、镁粉等），爆热高，又称高威力混合炸药。等），爆热高，又称高威力混合炸药。. 燃料空气炸药：燃料空气炸药：固体或液体燃料与空气组成爆炸混合固体或液体燃料与空气组成爆炸混合物，当燃料与空气混合至一定比例时才成为炸药。燃料抛物，当燃料与空气混合至一定比例时才成为炸药。燃料抛散后在目标上空形成云雾，无孔不入，引爆后杀伤破坏效
39、散后在目标上空形成云雾，无孔不入，引爆后杀伤破坏效应高。常用的燃料有环氧乙烷、环氧丙烷、甲烷、过氧化应高。常用的燃料有环氧乙烷、环氧丙烷、甲烷、过氧化乙酰、二硼烷及铝粉等。乙酰、二硼烷及铝粉等。 液体炸药：液体炸药：由液体或某些能溶于液体或悬浮于液体的物由液体或某些能溶于液体或悬浮于液体的物质组成。流动性好，密度均匀，可随容器任意改变形状，质组成。流动性好，密度均匀，可随容器任意改变形状，可渗入被爆炸物的内部或缝隙中。可渗入被爆炸物的内部或缝隙中。 制备工艺：熔铸、浇铸（制备工艺：熔铸、浇铸（热固性）热固性）、压装等。、压装等。.3 含能材料发展历史简介含能材料发展历史简介（1）黑火药的发明）
40、黑火药的发明 中国四大发明之一，公元中国四大发明之一，公元682年左右，我国炼丹家孙思邈的年左右，我国炼丹家孙思邈的丹经丹经中记载了黑火药的配方，由硝石中记载了黑火药的配方，由硝石(硝酸钾硝酸钾)、硫磺和木、硫磺和木炭组成。典型配方：木炭炭组成。典型配方：木炭15、硫磺、硫磺10、硝酸钾、硝酸钾75。 公元公元1000年左右，我国开始将黑火药用于军事，如霹雳炮、年左右，我国开始将黑火药用于军事，如霹雳炮、火枪、震天雷等。火枪、震天雷等。 十二世纪初，我国开始用黑火药制造焰火、爆竹，利用黑十二世纪初，我国开始用黑火药制造焰火、爆竹，利用黑火药燃烧气体的反作用原理发射升空（火箭弹原理）。火药燃烧气
41、体的反作用原理发射升空（火箭弹原理）。 十三世纪前期，黑火药经印度传入阿拉伯国家；十四世纪十三世纪前期，黑火药经印度传入阿拉伯国家；十四世纪欧洲开始应用黑火药；十六世纪开始用于工程爆破。欧洲开始应用黑火药；十六世纪开始用于工程爆破。. 直到十九世纪，黑火药作为唯一的火炸药在武器中应用直到十九世纪，黑火药作为唯一的火炸药在武器中应用了几百年。至今仍广泛用作点火药和传火药。作为发射与了几百年。至今仍广泛用作点火药和传火药。作为发射与推进能源，黑火药的能量低（推进能源，黑火药的能量低（350 kJ/kg左右），燃烧后产左右），燃烧后产生大量的烟和固体残渣。生大量的烟和固体残渣。 （2）单质炸药）单质
42、炸药 1832年法国人年法国人布雷克诺布雷克诺首先用硝酸处理纤维素制备了硝化首先用硝酸处理纤维素制备了硝化纤维素（纤维素（NC），是火药的主要粘合剂。），是火药的主要粘合剂。 1846年意大利人年意大利人A.索布列罗制备了硝化甘油（索布列罗制备了硝化甘油（NG）。）。 1885年法国用苦味酸铸装炮弹，结束了黑火药做为炸弹装年法国用苦味酸铸装炮弹，结束了黑火药做为炸弹装药的历史。药的历史。. 1863年德国合成了梯恩梯年德国合成了梯恩梯(TNT)，1891年实现工业化生产，年实现工业化生产，1902年开始装填炮弹，是二次世界大战的主要军用炸药。年开始装填炮弹，是二次世界大战的主要军用炸药。 18
43、99年和年和1941年分别合成出了高能炸药黑索今（年分别合成出了高能炸药黑索今（RDX）和奥）和奥克托今（克托今（HMX）。使炸药性能提高了一个台阶。并发展了）。使炸药性能提高了一个台阶。并发展了一系列以一系列以RDX 和和 HMX为基的高能混合炸药。为基的高能混合炸药。 (2) 高能量密度化合物（高能量密度化合物（HEDC） HEDC 是指密度是指密度1.9g/cm3、爆压、爆压40GPa的含能化合物。的含能化合物。 1941年发现的年发现的HMX，密度，密度1.9g/cm3，爆速，爆速9km/s（密度（密度1.877g/cm3时），爆压达时），爆压达39GPa。在综合性能方面，。在综合性能
44、方面，HMX在在军用炸药中一直是最好的（但价格较贵军用炸药中一直是最好的（但价格较贵 1000元元/kg)。. 上世纪上世纪70年代，前苏联合成了二硝酰胺盐（年代，前苏联合成了二硝酰胺盐（ADN），是一种），是一种优异的高能无机氧化剂，被认为是低特征信号推进剂的候选优异的高能无机氧化剂，被认为是低特征信号推进剂的候选氧化剂之一。俄罗斯已用于推进剂中。氧化剂之一。俄罗斯已用于推进剂中。 上世纪上世纪80代，美国合成了代，美国合成了1,3,3-三硝基氮杂环丁烷三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)，能量和密度与能量和密度与HMX不相上下，也是目前国际上比较看好的不相上下，也是目前国际上比较看好的一个一个HE
45、DC。 1987年，美国合成了六硝基六氮杂异伍兹烷（年，美国合成了六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20)，被誉，被誉为炸药合成史上的一个突破。与为炸药合成史上的一个突破。与HMX相比，密度高相比，密度高8%，爆，爆速高速高6%，爆压高，爆压高8%，能量密度高，能量密度高10% 以上。以上。. 在研的：在研的： 多硝基立方烷：多硝基立方烷：高密度、高能量、热稳定性好、高密度、高能量、热稳定性好、感度适中。感度适中。4个以上硝基的立方烷，密度和爆速（压）与个以上硝基的立方烷，密度和爆速（压）与HMX相当，标准生成焓远高于相当，标准生成焓远高于HMX；八硝基立方烷密度达；八硝基立方烷密度达1.92.2
46、g/cm3，爆速和爆压分别达，爆速和爆压分别达9.8 km/s 和和 46.7 GPa，高，高于于HMX 10%20%，甚至略高于，甚至略高于CL-20。 多硝基金刚烷：多硝基金刚烷：笼形笼形HEDC。 C60：60 个碳原子分子簇，对称笼形结构。个碳原子分子簇，对称笼形结构。 氮原子簇：氮原子簇：3个以上氮原子以一定方式排列（通常认为不个以上氮原子以一定方式排列（通常认为不可能结合在一起），称为聚氮或多氮。可能结合在一起），称为聚氮或多氮。1998年底，美国成功年底，美国成功合成了氮合成了氮5分子（分子（N5），能量很高（据称比常规含能化合物），能量很高（据称比常规含能化合物高几个数量级）。
47、但制备还非常困难，也很不稳定。高几个数量级）。但制备还非常困难，也很不稳定。. 国内在单质炸药和高能量密度化合物方面研究较多有西安国内在单质炸药和高能量密度化合物方面研究较多有西安204研究所、北京理工大学、洛阳黎明化工研究院等单位。研究所、北京理工大学、洛阳黎明化工研究院等单位。 （4）军用混合炸药）军用混合炸药 1885年开始使用以苦味酸为基的混合炸药；上世纪初开始年开始使用以苦味酸为基的混合炸药；上世纪初开始被以梯恩梯为基的混合炸药取代，第一次世界大战中，主被以梯恩梯为基的混合炸药取代，第一次世界大战中，主要使用含梯恩梯的混合炸药。要使用含梯恩梯的混合炸药。 二次世界大战期间，开始以特屈
48、儿、太安、黑索今为基，二次世界大战期间，开始以特屈儿、太安、黑索今为基，发展了特屈托儿和发展了特屈托儿和 B 炸药等几个系列的熔铸混合炸药，能炸药等几个系列的熔铸混合炸药，能量比第一次世界大战期间提高了约量比第一次世界大战期间提高了约 35%。以黑索金为主要。以黑索金为主要成分的塑性炸药（成分的塑性炸药（C 炸药）及钝感黑索金（炸药）及钝感黑索金（A 炸药）在美炸药）在美国制式化，形成了国制式化，形成了A、B、C三大系列的军用混合炸药。三大系列的军用混合炸药。. 上世纪上世纪50年代后，年代后，A、B、C三大系列混合炸药得到了标准三大系列混合炸药得到了标准化和系列化。化和系列化。60年代美国大
49、力发展以黑索金、梯恩梯及铝年代美国大力发展以黑索金、梯恩梯及铝粉为主体的高威力炸药，用于装填水中兵器；粉为主体的高威力炸药，用于装填水中兵器；70年代初，年代初，美国开始使用燃料空气炸药装填航空炸弹；美国开始使用燃料空气炸药装填航空炸弹；6070年代年代重点研制了高聚物粘结炸药，形成了系列；重点研制了高聚物粘结炸药，形成了系列；70年代后期，年代后期，出现了低易损炸药出现了低易损炸药(不敏感炸药不敏感炸药) 。 （5）工业炸药）工业炸药 1866年，瑞典的诺贝尔年，瑞典的诺贝尔(Nobel)以硅藻土吸收以硅藻土吸收NG制备了代制备了代那买特那买特(Dynamitea)，并很快在矿山爆破中得到普
50、遍应用。，并很快在矿山爆破中得到普遍应用。1875年，诺贝尔又发明了爆胶。年，诺贝尔又发明了爆胶。. 1866年，瑞典的奥尔逊年，瑞典的奥尔逊(Olsen)和诺尔宾和诺尔宾(Norrbein)发明了硝发明了硝铵炸药的专利。铵炸药的专利。1869年和年和1872年，德国和瑞典分别开始了年，德国和瑞典分别开始了硝铵炸药的工业生产，硝铵炸药开始部分取代代那买特，硝铵炸药的工业生产，硝铵炸药开始部分取代代那买特，很快得到普及应用。很快得到普及应用。20世纪后，硝铵炸药得到迅速发展，世纪后，硝铵炸药得到迅速发展，尤其是铵梯型硝铵炸药应用最为广泛，目前仍大量应用。尤其是铵梯型硝铵炸药应用最为广泛，目前仍大
