中國研發高性能的全氮爆裂炸藥可增強傳統武器威力及大型火箭開發

一、前言

                我們都知道核子武器的威力是巨大的，但核子武器有放射性並不宜在一般戰場上使用，自從諾貝爾發明黃色炸藥後，傳統的槍炮都使用化學炸藥，當我們想到爆炸物時，TNT（三硝基甲苯）和硝化甘油等化學物質會被提起，但硝酸銨只是一個簡單的肥料也可產生劇烈爆炸反應，所有爆炸都有一些特點，它們都涉及從密閉空間區域快速和猛烈地釋放大量能量，硝酸甘油的爆炸性分解說明了爆炸常見的幾個特徵：首先，反應是放熱的，意味著它釋放能量。第二，它產生幾種氣體產物，所有這些氣體產物隨著釋放的能量升高溫度而膨脹。 第三，即使方程沒有顯示，反應非常快，一旦進行，所有的能量在很短的時間內釋放。最後，反應物包括元素氮。為什麼這麼多爆炸物含有元素氮？ 看看爆炸反應的產物，你會發現同樣的氣體和普通的氮氣，N2。具有諷刺意味的是，氮氣是在非常低的能量狀態下非常穩定的化合物，但是當它由以非常高能量狀態開始的反應物形成時，在該過程中釋放非常大量的能量。

                科學家們為改善傳統火藥的威力，一直想突破全氮爆炸物的製造，但一直未能突破，最近中國研究團隊似乎有了突破，除了將有助於傳統武器威力改善外，也可用於登陸月球太空火箭燃料的改進。

二、中國造出“N2爆彈”：威力堪比核武器而沒有核污染

        新華社報導了南京理工大學化工學院師生首次在《Science》上發表論文，該論文報導了一種從芳基五唑製備含全氮陰離子（N5-）化合物的方法， 這是南京理工大學化工學院師生首次在《Science》上發表論文，也是中國在《Science》上發表的含能材料領域第一篇研究論文。新型含超高能材料是當今世界各軍事強國爭相發展的重點，也是未來國家核心軍事能力和軍事技術制高點的重要標誌，全氮類物質因具有高密度、高生成焓、超高能量及爆轟產物清潔無污染等優點而成為新一代超高能含能材料的典型代表，受到世界各國的重視。目前，該領域的主要研究方向和熱點之一是N5-離子的合成。然而，由於製備N5-離子的前驅體芳基五唑穩定性較差，同時，芳基五唑分子中N－N鍵的鍵能遠小於C－N鍵的鍵能，這就意味著芳基五唑分子的N－N鍵遠比C－N鍵更易於斷裂，直接打斷芳基五唑分子中的C－N鍵會導致五唑環的破裂而無法獲得N5-離子，再加上N5-離子自身不穩定，致使採用常規方法切斷芳基五唑分子中的C－N鍵來獲取N5-離子是非常困難的。因此，自1956年芳基五唑被首次合成以來，製備穩定存在的N5-離子及其鹽的研究工作一直沒有取得實質性進展。

近年來，胡炳成教授團隊圍繞五唑衍生物的合成開展了較為深入的研究，經過多年的刻苦專研，終於解決了這一困擾國際含能材料研究領域達半個多世紀的世界性難題，在N5-離子的合成中取得了重大的突破性進展，創造性地採用間氯過氧苯甲酸（m-CPBA）和甘氨酸亞鐵[Fe(Gly)2]分別作為切斷試劑和助劑與底物3 ,5-二甲基-4-羥基苯基五唑作用，通過氧化斷裂的方式選擇性地切斷芳基五唑分子中的C－N鍵，首次製備得到室溫下穩定的含有N5-離子的鹽(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl（PHAC），熱分析結果顯示PHAC分解溫度高達116.8 ℃，具有非常好的熱穩定性。

科幻作品裡面有一種威力堪比核武器而沒有核污染的“N2爆彈”，中國胡炳成教授團隊可能將製造出來了。南京理工大學化工學院胡炳成教授團隊近日成功合成世界首個全氮陰離子鹽，佔領新一代超高能含能材料研究國際制高點。相關研究論文27日發表在國際頂級期刊《科學》上，據南理工網站報導，此次合成的化合物含有全氮陰離子（N5-)。據相關論文，全氮類超高含能材料（炸藥）的能量可達3倍TNT以上，具備高密度、高能量、爆轟產物清潔無污染（爆炸產物為氮氣，無污染）、穩定安全等特點。全氮類物質的相關研究將直接推動超高含能材料的快速進步，相關材料的研製成功有望在炸藥、發射藥和推進劑領域產生驚人的發展。

三、全氮高爆物製造的困難

    據報導，在世界範圍內，獲取全氮陰離子都是一個難題，自1772年從大氣中分離出來N2以後，直到1890年，才發現第一種全氮離子N3-，此後相關研究止步不前。科研工作者對從N3到N13的各種全氮衍生物進行了大量的理論預測，但真正製取成功相關化合物的成果少之又少。用於製備全氮離子的前驅體芳基五唑直到1956年才首次被合成；1999年，美國空軍研究實驗室才首次合成呈線狀N5+陽離子，當時的研究目的是製造取代有毒的肼類火箭燃料的新型火箭燃料。南京理工大學胡丙成教授團隊這次成功合成出全氮陰離子鹽是這一領域的突破性成果。理論上，全氮類物質的能量水平可達10^4~10^5焦耳/克級別，這相當於TNT炸藥的10~100倍，不僅可用於製造更大威力的炸藥、發射藥、推進劑，也有望用於製造不需核裂變起爆的“乾淨”氫彈，這幾乎就是我們前面剛剛提到的幻想中的“N2爆彈”(EVA裡面對N2的解釋是Nonenuclear的縮寫，但有意思的是，現實中全氮類物質爆炸的產物就是N2——氮氣)了。

    胡炳成教授介紹，新型超高能含能材料是國家核心軍事能力和軍事技術制高點的重要標誌。全氮類物質具有高密度、超高能量及爆轟產物清潔無污染等優點，成為新一代超高能含能材料的典型代表。目前，該領域的研究熱點之一是全氮陰離子的合成。由於製備全氮陰離子的前驅體芳基五唑穩定性較差，加上全氮陰離子自身不穩定，致使採用常規方法獲取全氮陰離子非常困難。自1956年芳基五唑被首次合成以來，製備穩定存在的全氮陰離子及其鹽的研究一直沒有取得實質性進展。

四、長征九號登月火箭研製

    長征九號是中國航天科技集團自行研製中的巨型登月火箭[，主要任務是負責中國載人登月、火星科考取樣返回、太陽系外圈行星探測等多種高難度任務。2016年，長征九號完成深度論證，預計在2030年前首次發射。或於2027年至2028年首飛。其近地軌道運載能力至少100噸，月球轉移軌道運載能力至少50噸，與美國土星五號登月火箭運力相近。根據長征三號總設計師透露，2025年至2030年之間，發射長征九號火箭，起飛推力3000噸級，110米長，能把120噸的航空器送入太空，這將能把3至5人送到月球。

    推力大的火箭是發展太空探勘必要的工具，若能研發出高推力的燃料是極有助益的，除了核能火箭研製困難外，傳統火箭將是長時間人類上太空的工具，中國大陸胡炳成教授團隊的高能含量全氮化物的研發將有助於大型火箭的開發。