使用社交账号登录

互动科普

搜索
热搜: 活动 交友 discuz
查看: 3251|回复: 2

些关于含能材料的闲言碎语(可能会很无聊哦)

[复制链接]

67

主题

87

帖子

255

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
255
发表于 2020-1-15 12:10:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
前段时间关于新式含能材料的问题在坊间炒的很火,作为一名非军工,甚至非化学专业的学渣(有希的专业在个人介绍里有说哦),特意蹭一蹭热度的说。
说起含能材料这个词,不少人会感到陌生的说,换个词吧——炸药。大家也许就明白了,不过捏,炸药/爆炸物(explosive)的表述并不准确,之所以被称为含能材料(engergetic,materials)是因为以下定义:
含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物,在一定外界能量刺激下,能够独立进行氧化还原反应,并释放大量能量(通常为气体和热)的化合物或混合物。一般含能材料包含了火口药,炸口药,燃气发生剂烟火药剂,火工品等——《novel engergetic materials》
所以所谓的含能材料,包含但并不特指炸口药,说到这里是不是很无聊的说,各位看官。那么我们接下来聊聊更无聊的话题吧:
首先有几个概念我们必须谈到,这关系到含能材料(炸口药)的性能:
1. 固有物性:例如密度,力学性能(比如可塑性,想想CS里面的C4吧,fire in hole....),安定性(一定条件下,材料的物理化学性能不超过允许范围变化的能力),相容性(和其他物质发生反应的能力)
2.含能材料表征的性质:
1.标准生成焓——单质状态下的稳定单质(原料)合成含能材料本身所产生的焓变。(也可以理解为含能物质分解/爆炸时释放的能量)。这是含能材料最基本的热力学参数,直接影响燃烧热和爆温。
2.感度——含能材料在外界能量作用下发生爆炸的难易程度。(爆炸类型和使用条件的选择,感度有客分为撞击感度,温度感度,冲击波感度,电火花感度等.....感度没有一个通用的标准,依据具体情况而定,并不是越高越好或者越低越好)
3.爆容——含能材料爆炸时产生气体的体积。
4.爆速——爆炸时的爆轰波在含能材料内传播的速度。这是极其重要的含能材料参数。
5.爆压——含能材料爆轰时爆轰阵面的压力。这与含能材料(炸药)的威力息息相关。
讲完这些枯燥的定义我们开始吧:
说到含能材料就不得不提始祖黑火药,黑火药最早的确是由中国东晋人,葛洪在《抱朴子》中记载的。不过那时候,它还并不是炸口药,葛洪认为,用硝石、武当山雄黄、松脂和猪大肠脂肪混合可以制成一种丹药,“服之皆令长生,百病除”。

火药可以长生不老?!坑爹吧这是?!没错啦,古人真就这么想的说。
不过呢,事情总会有转机。随着古代炼丹家,医学家对火药性质的深入研究,发现它并不能令人延年益寿,反而越来越多的开始介绍它的燃烧性能。
唐初医学家孙思邈(581—682)在《丹经内伏硫磺法》中记载硝石、硫磺和炭化皂角子混合后用火点燃后能猛烈燃烧。
成书于9世纪中叶至五代的《真元妙道要略》(一说郑思远所著)记载:“有以硫磺、雄黄合硝石并蜜烧之,焰起,烧手面及烬屋舍者”
公元904年,杨行密军围攻豫章(今江西南昌),部将郑璠命所部“发机飞火,烧龙沙门,率壮士突火先登入城,焦灼被体”,这是火药最早使用于军事记载,最早的火药武器则出现在五代时期的敦煌壁画。
随后黑火药作为中国四大发明之一传入西方,统治了军用武器近1000年。西班牙人正是拿着使用黑火药的火绳枪征服了美洲;英国人又用威力更大的火炮击垮了西班牙;在日本,织田信长的部队用火绳枪将武田骑兵扫入了垃圾桶......黑火药作为含能材料的祖师,深刻的改变了近代的战场。
进入工业革命之后,随着化学的大发展,含能材料也迅速的丰富起来。新发展的军事技术又反过来对含能材料提出了更高的要求。
这里是部分一战前就已合成(or 发现)的含能化合物,有一点不知道有人注意过吗,他们大多含有氮氧基团比如硝基,过氧基团(有希用chemdraw 手写的哦,qwq)
这里简单的提几个有名的吧,首先是大家耳熟能详的炸药,硝化甘油。这玩意呢,实际上并不是诺贝尔发明的,真正的发明人是意大利都灵大学的化学家索布雷洛。他在1847年首先报道了硝化甘油的合成,不过常有人误解“硝化甘油”是瑞典化学家阿尔弗雷德·诺贝尔发明的。事实上诺贝尔发明的是在1866年利用硝酸甘油发展高稳定性、防误爆的硝酸甘油硅藻土炸药。
这里简单的提几个有名的吧,首先是大家耳熟能详的炸药,硝化甘油。这玩意呢,实际上并不是诺贝尔发明的,真正的发明人是意大利都灵大学的化学家索布雷洛。他在1847年首先报道了硝化甘油的合成,不过常有人误解“硝化甘油”是瑞典化学家阿尔弗雷德·诺贝尔发明的。事实上诺贝尔发明的是在1866年利用硝酸甘油发展高稳定性、防误爆的硝酸甘油硅藻土炸药。
硅藻土的混合虽然一定程度上降低了硝化甘油的威力,但是也使得它更容易被制成想要的形状。
黑暗炼金献祭自己弟弟的诺贝尔酱,所以诺贝尔奖俗称炸口药奖(23333....)。
还有一点特别有意思的硝化甘油——真!能!治!病!
硝酸甘油片能够扩张血管,用于冠心病心绞痛的治疗及预防,也可用于降低血压或治疗充血性心力衰竭。(1000年前炼丹者的愿望终于实现了....)
另一个很有名的就是黄色炸药——苦味酸。
说到苦味酸就不得不提一个让人让人恼火的国家——日本儿。苦味酸(2,4,6-Trinitrophenol)
从化学结构上来看这玩意很像TNT,只不过苯环1`位置(就是最上面那个OH所在的位置)苦味酸是羟基(OH,其实正确的说法是苯酚的酚基),而TNT是甲基(CH3,mythyl)。差这一个性质就差很大了,我们稍后谈到。它是黄色的固体,在被用作炸药之前,曾经被用作黄色染料(脑子秀逗了?!居然用来做染料!?),因为易爆而被用作炸口药。日本在1885年左右,由下瀬雅允首次接触并着手从法国开始仿制苦味酸。
从化学结构上来看这玩意很像TNT,只不过苯环1`位置(就是最上面那个OH所在的位置)苦味酸是羟基(OH,其实正确的说法是苯酚的酚基),而TNT是甲基(CH3,mythyl)。差这一个性质就差很大了,我们稍后谈到。它是黄色的固体,在被用作炸药之前,曾经被用作黄色染料(脑子秀逗了?!居然用来做染料!?),因为易爆而被用作炸口药。日本在1885年左右,由下瀬雅允首次接触并着手从法国开始仿制苦味酸。
从化学结构上来看这玩意很像TNT,只不过苯环1`位置(就是最上面那个OH所在的位置)苦味酸是羟基(OH,其实正确的说法是苯酚的酚基),而TNT是甲基(CH3,mythyl)。差这一个性质就差很大了,我们稍后谈到。它是黄色的固体,在被用作炸药之前,曾经被用作黄色染料(脑子秀逗了?!居然用来做染料!?),因为易爆而被用作炸口药。日本在1885年左右,由下瀬雅允首次接触并着手从法国开始仿制苦味酸。
从化学结构上来看这玩意很像TNT,只不过苯环1`位置(就是最上面那个OH所在的位置)苦味酸是羟基(OH,其实正确的说法是苯酚的酚基),而TNT是甲基(CH3,mythyl)。差这一个性质就差很大了,我们稍后谈到。它是黄色的固体,在被用作炸药之前,曾经被用作黄色染料(脑子秀逗了?!居然用来做染料!?),因为易爆而被用作炸口药。日本在1885年左右,由下瀬雅允首次接触并着手从法国开始仿制苦味酸。
这玩意叫TAT,含氮量非常高,1921年就报道了这种化合物的存在,但是由于这玩意含有叠氮基(N3基团,由三个氮组成),很不稳定稍微受到碰撞就会毁天灭地。
后来者(hiskey)想了一个办法,他将两个TAT串起来,搞成了这样:
TAAT有作为火箭/导弹推进剂的潜力,目前已经有微型推进器的固体燃料,焰火剂,碳氮纳米材料开始少量使用TAAT家族材料。
再来一个FOX-7炸药,FOX(FOX英语意译为狐狸)和狐狸没有半毛钱关系,它是瑞典国防研究所(FOI)在1998年报道的新型含能材料,这种含能材料和常用的RDX(黑索金炸口药)相比感度更低,威力相当。发现者瑞典国防研究所已经做了大量的工作,具体情况如下。
这就是FOX-7,别看他构造简单,这玩意的构造可是“冰X两重天”——左边是硝基(NO2)吸引双键的电子,而右边的(NH2)胺基提供电子。因此有机合成领域FOX-7制造极其困难。
举一个例子(超无聊),学有机的朋友可能知道,有机化学的最后收率是按照步骤相乘的,因此虽然FOX-7的构造简单,但是按照瑞典国防研究所报道的制造方法总收率只有15%X87%=13% 因此目前对于fox-7的工业化生产仍在探索之中,如果有高收率,并且低成本的办法相信fox-7会很快填满各国的炮弹
撤了氮再扯一个含氧的吧。众所周知过氧化物也不是什么好动西,特别是双氧水学过生物或者化学的朋友都知道纯的双氧水是没有卖的,我们能买到的都是被水稀释的。为什么呢?因为会~爆~炸~啦!
那用双氧水做含能材料可以吗?答案是当然可以的说。
go ahead!
三过氧化三丙酮(Triacetone triperoxide简称为TATP)粉墨登场!
当TATP遭受强烈冲击时,则发生被称为熵爆炸(entropic explosion)的剧烈分解,此时反应产物主要为丙酮和氧气,这种爆炸释放的热能不多,爆速约为6100m/s。但是,TATP的化学安定性却很差,共聚物会在室温下缓慢分解,恢复成氧气和丙酮。如果是军用的话,不能长期保存的东西就是~乐~色。因此TATP还没有军用化。当然丙酮和双氧水都是容易入手的玩意。一些人难免动歪脑经。
接着无聊下去吧:还有一个就是耳熟能详的八硝基立方烷。首先要科普一个原理,在化学物质中,连接原子和原子的实际上是它们的核外电子云(这个说起来就要扯到薛定谔方程了~喵),这个电子云我们就把它叫做键(英文 bond),当两个以上的以上的原子在与其他原子成键时,键与键之间的夹角称为键角(bond angle)

没错就是这样,这玩意爆速高达11000m/s,威力是TNT的2.7倍当量,厉害吧。不过捏,还是那句话工业量产啊!工业量产....(前略,很重要的事情一定要说两次)
首先发一下制造立方烷的制作process吧,非化学专业的数几个箭头就行,大概都能明白制造的麻烦程度。


回复

使用道具 举报

67

主题

87

帖子

255

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
255
 楼主| 发表于 2020-1-15 12:11:48 | 显示全部楼层
稳定性好吗?
回复 支持 反对

使用道具 举报

78

主题

179

帖子

767

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
767
发表于 2020-1-15 13:41:48 | 显示全部楼层

回复

使用道具 举报

互动科普  

GMT+8, 2020-9-26 06:00 , Processed in 0.024770 second(s), 29 queries .

 
快速回复 返回顶部 返回列表