纳米含能复合材料的研究进展

　　导弹是军队最重要的武器装备之一，而含能材料在推进剂中的应用是导弹武器关键的支撑和制约技术。含能材料的换代，是武器装备更新换代的重要标志，这在武器系统领域已成共识。大量科学研究表明，在含能材料领域，当材料的粒径达到纳米量级时，其机械感度和爆轰性能等均会产生显著变化。与普通尺寸的含能材料相比，纳米含能材料通常具有更优良的力学性能、更高的燃烧速度、更低的撞击感度以及更高的能量释放效率。因此，开展含能材料中的纳米组分或相关结构研究，充分发挥其能量潜能具有非常重要的意义。目前许多西方发达国家以及日本、俄罗斯等都纷纷开展了纳米含能材料的技术研究，特别是对其在推进剂、烟火药和炸药中的应用效果和潜能进行了探索。
　　然而，大量的研究表明，单一的纳米粉体材料应用时分散性差，难以均匀地分散到其他组分之中，容易自团聚，导致无法充分发挥纳米含能材料的特殊性能。为最大发挥纳米含能材料的实际应用效果，科研工作者研究出一种有效的方法，即事先在分子层面对含能材料中的纳米、微米组分进行复合，降低单一纳米粒子的表面活性，减少其自团聚现象，提高纳米粒子在基体中的分散性，进而可使纳米材料的自身优良性能得以充分发挥。同时由于复合含能材料中反应物的尺寸降低到纳米尺度，可有效地增加各物质间的接触界面，解决传统复合含能材料由于颗粒大而传输速度慢的缺点，因而得到的含能材料具有更高的能量密度和高释能速率。此外，将纳米尺度的含能材料复合处理，可以发挥材料各功能之间的协同效应，从而获得集多种优良特性于一身、综合性能较高的新型含能材料。
　　1 纳米含能复合材料的研究近况
　　纳米复合材料是指由 2 种或 2 种以上组分材料复合而成，且其中至少有 1 种组分材料在分散尺度上为纳米量级的复合材料。此概念由国外科研工作者在 20 世纪 80 年代末提出。而纳米含能复合材料是指氧化剂或燃料等含能材料可在纳米尺度上分散，同时通过一定技术手段，各含能组分在此量级上能够充分复合，并且其性能可以通过调节各组分的分散和复合尺度而得到调控的一种含能复合材料，是含能材料领域近几十年才提出来的一个全新概念，目前还处于从概念认识、形成到初步研究及实践转化的阶段。
　　2 纳米复合含能材料的制备技术
　　2.1 Sol gel 法制备纳米复合含能材料
　　溶胶 凝胶(solgel)化学法是一种液相合成法，主要应用在化学、材料和物理学领域，约有150 年的发展历史。利用该方法可以得到高纯度的有机或无机材料，其颗粒具有粒径、孔径及密度分布均匀的特点。
　　2.2 溶剂 / 非溶剂法制备纳米含能复合材料
　　自从 Nakanishi 于 1993 年第一次使用溶剂/非溶剂法制备出有机纳米晶体以来，这种技术就因其具有设备简单和多功能性的特点，被广泛应用于含能材料制备领域。该方法主要是将能很好地溶解目标化合物的良溶剂与过量的不良溶剂快速混合，然后通过调节溶液的过饱和度，来调控小尺度颗粒的分子按照所需结构成核和生长。在此方法中，目标分子在良和不良溶剂中的相容性、溶解度等要有显著的差异，这一点是必不可少的。
　　2.3 高能研磨法制备纳米含能复合材料
　　从目前国内外的研究成果来看，采用高能研磨法不仅能够制备出单一纳米材料，也能够利用多种材料颗粒间的固相作用获得纳米尺度的复合含能材料。Yu Weifei 等分别以乙醇、水为介质，用高效研磨机研磨 RDX 和铝粉的混合物，制备出了 RDX 包覆铝粉的超细复合粒子。
　　2.4 超临界流体法制备纳米含能复合材料
　　超临界流体技术是最近 20 年才开发出来的一项新技术，将其引入纳米含能复合材料的制备领域，更是一种全新的突破。此法包括超临界流体快速膨胀法(RESS)和超临界气体反溶剂结晶法(GAS 或 SAS)。
　　2.5 多孔硅基纳米复合含能材料
　　将各类纳米级的氧化剂填充到多孔硅空隙中，即可制得多孔硅基纳米含能复合材料。1992 年，美国的 A. J. Bard 研究小组在研究多孔硅的化学发光特性时，意外地发现了多孔硅 / 氧化剂复合含能材料的爆炸性能;之后，其爆炸特性逐步进入了研究者们关注的视线。多孔硅被认为是一种含能材料，世界各国的科研工作者们纷纷对其开展了大量的探索研究。
　　总体来说，制备纳米多孔硅基复合含能材料的研究还处于探索阶段，要实现实际生产应用还有一段距离，需进一步加强此复合含能材料安全、感度等性能方面的基础研究。
　　3 结束语
　　从当前国际导弹武器系统的发展趋势来看，未来导弹武器朝越来越钝感、高能的方向发展，而现有的传统单质含能材料其能量已达到了一定的极限，想要有所突破，一种有效的方法是发展与传统含能材料完全不同的纳米含能材料技术。然而由于纳米材料在使用过程中具有自团聚现象，不能发挥其应有的优势，因此纳米含能复合材料的制备研究应运而生，并显得越来越重要。目前纳米含能复合材料的研究还处于初级阶段，属于基础性研究，想要得到实际应用还需进行更加广泛深入的研究。
　　对于今后的研究，笔者认为应侧重以下 3 点：
　　①纳米复合含能材料的制备工艺研究。由文中分析可知纳米复合含能材料的各种制备工艺都有自己的优缺点。用单一方法制备可能达不到预期的效果，须采取扬长避短的策略，将各种制备方法有机结合，同时为保证纳米含能材料制备的可重复性，须寻找一种操作简单、成本低的适合工业化生产的成熟工艺。
　　②须对纳米含能材料的基础理论进行深入研究，开展理论模拟计算方面的研究工作等。掌握制备过程中各个具体工艺参数对纳米含能材料结构和形貌的影响，同时通过理论模拟计算，为设计具有特定结构的纳米含能复合材料提供理论支持和便利。
　　③纳米复合材料的表征技术也亟须发展。为研究纳米结构对含能复合材料的性能影响，从源头上探究两者之间的关系，亟须加强纳米含能复合材料表征技术方面的研究。
　　纳米含能复合材料正成为含能材料今后发展的一个炙手可热的新领域，可为未来导弹武器发展提供新的思路。