超高能含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、能独立进行快速化学反应并输出能量的化合物或混和物，其能量比常规炸药（通常为103J/g）至少高一个数量级的新型高能物质，是实现高效毁伤的核心技术。这种材料在激发后，一般不需要外界物质参与，即可使化学反应持续下去，快速释放出巨大的能量。它是各类武器系统（包括弹道导弹和巡航导弹）必不可少的毁伤和动力能源材料，是炸药、发射药和推进剂配方的重要组分。超高能含能材料目前主要分为两大类：一类基于化学能，能量水平为104J/g-105J/g，如:高能/高释放率材料（纳米铝、纳米硼、纳米多孔硅等高活性储能材料）、全氮物质（氮原子簇）、金属氢等；另一类基于物理能，能量水平在105J/g以上，如亚稳态核同质异能素、反物质材料等。超高能含能材料参与的化学反应具有高速、高压、高温反应特征和瞬间一次性效应的特点，并释放大量的热和气体。

一、国外研究现状

进入21世纪以来，超高能含能材料因实现能量的惊人突破而受到越来越多国家的高度重视。美俄采取积极举措大力发展超高能含能材料技术，并在高活性金属储能材料、全氮物质、金属氢和核同质异能素研究上率先取得重大突破。在美俄带动下，德国、瑞典、印度和日本等国也纷纷启动相关发展计划和研究项目，推动超高能含能材料的研究与应用。

高活性金属储能材料。美国不仅研究了纳米级的铝、镁、硅、硼等多种高活性储能材料(采用云雾爆轰方式，其能量可达5-6倍TNT当量)，还将含纳米铝的温压炸药成功装备成巨型空爆炸弹——“炸弹之母”，其爆炸威力相当于11吨TNT；美国曾宣布研制的下一个88吨TNT当量(是俄罗斯“炸弹之父”的两倍)的高威力巨型炸弹将有可能使用能量水平更高的高活性硼燃料。此外，美国陆军研究人员还利用纳米铝、硼、硼化铝和氮化硼纳米管等高活性纳米金属燃料积极开发先进高能量密度发射药。俄罗斯先后在火炸药中应用了氢化铝、铝/氩共生物以及高能离子盐等超高能含能材料，如威力巨大的巨型炸弹——“炸弹之父”，就是采用7.1吨含活性金属高能材料燃烧剂的液态燃料空气炸药，爆炸威力达到6倍TNT当量，是美国“炸弹之母”的4倍，其威慑力不亚于核武器。

全氮材料。美国于1998年成功获了离子型全氮化合物N5，之后陆续合成出13种含N5的盐类化合物，得到了性能更稳定的全氮材料，其能量密度可达3-10倍TNT当量；美国陆军还投入专用资金研究亚稳合金，亚稳合金的能量是RDX等常规炸药的6倍以上。2009年，美国陆军启动了新的聚合氮制备技术开发项目，研究聚合氮的低成本制备方法及大批量制备工艺技术；美国空军则深层次关注并研究聚合氮/纳米铝的界面作用。俄罗斯成功获得了以氮原子立方体结构存在的全氮化合物。2009年，俄罗斯科学研究院致力开发以含N4、N8、N6O3等聚合氮为基的推进剂配方。德国联邦办公室、国家科学基金均设立了专门的研究项目，重点支持多氮或全氮高能材料的合成和性能研究及核同质异能素探索性研究。印度重点开发新型高能及超高能含能材料，目前在N5离子理论研究及高能含能材料的合成上取得了重大突破。以色列西伯莱大学在聚合氮的安定性研究中，率先发现了氧原子的加入使N4、N6、N8等聚合氮稳定存在的原因。

金属氢材料。自1935年美国科学家首次提出金属氢概念以来，美国在金属氢的能量特性、转变压力、稳定性、合成机理和可行性等方面进行了大量理论研究。重点研究了氢的绝缘相和金属相状态方程、结构相变、有序-无序相变、绝缘-金属转变以及金属氢的性质。1966年，美国劳伦斯.利弗莫尔国家实验室成功制得了固态金属氢。2009年，美国哈佛大学试验了用液态氢(或水)稀释的金属氢作为动力能源开发的登月发射器；还成功开辟了金属氢制备的新路径，利用压-熔点关系曲线使金属氢制备所需的压力降到了44GPa左右。

核同质异能素。美国国防部已将超高能含能材料技术列入发展中的科学技术清单和军用关键技术清单，而且把核同质异能素用作高能量密度材料的技术均视为发展中的关键技术。美国当前重点研究的关键材料技术是铪-178，可能还包括锇-187、钇-186、钽-180和锌-66等。美国空军研究实验室现已获得铪-178，其产量为万分之一克以下，目前正在进行铪-178伽玛射线武器（即铪弹）的研制。与此同时，美国劳伦斯.利弗莫尔国家实验室完成了核同质异能素用作储能介质的评价，铪等核同质异能素的生产和能量释放控制成为当前研究的重点。

二、超高能含能材料技术的发展趋势

近些年来，美俄等国纷纷推出高能量密度材料发展计划，重点关注并研究了超高能新物质，产生一大批科研成果，成为超高能含能材料诞生的重要源泉；同时制定并落实各类先进含能材料研究计划，积极支持高能量密度材料、超高能含能材料技术的研究与发展。未来一二十年，超高能含能材料技术将呈加速发展的态势，由于氮原子簇、金属氢、核同质异能素等超高能含能材料具有非常诱人的能量性能，这些技术的发展和应用将给常规毁伤技术和能力带来一场新的重大变革。超高能含能材料继续朝更高能量的方向发展，即由多氮向高氮、氢合金向金属氢发展；能量水平更高的氮原子簇（全氮材料）；金属氢及金属氢武器将面临新的发展机遇；核同质异能素的应用研究步伐将进一步加快；超细粒度的纳米含能材料快速发展。作为一类新型能源物质在国防领域新概念武器中的应用具有广阔的应用前景。

氮原子簇其高密度、高生成焓、超高能量及爆轰产物清洁无污染，其独特的理化性能、安全性能和爆炸（爆轰）性能等不同于传统含能材料。氮原子簇贮存的能量巨大（比常规含能材料要高出几个数量级），将有可能成为火箭的理想燃料，N5的推进剂的比冲是肼推进剂的2-3倍，一旦研制成功，有望使火箭推进剂和炸药性能取得惊人的突破。

核同质异能素技术发展是超高能材料领域革命性的创新。作为一种新概念能源物质，除用作含能材料外，其潜在的应用还包括能量贮存（核同质异能素电池）、核同质异能素武器、先进推进系统、伽玛射线激光器、爆炸装置及其它脉冲功率源等。

对传统火炸药的功能助剂进行绿色化、无毒化改造一直备受重视。固态金属氢具有能存储大量能量、单位体积能量很高和对环境零污染的特点，因此，具有重大的军用价值和广阔的应用前景，如：用于小体积、远射程的火箭、导弹和火箭弹中作为一种高能推进剂，每千克固态金属氢所产生的推力相当于每千克液氢/液氧火箭燃料的5倍；作为一种超高能炸药，用于大规模杀伤性武器中或用于制造金属氢武器，金属氢的爆炸威力相当于相同质量TNT炸药的25-35倍，是目前威力最强大的化学爆炸物。

含能材料的感度通常随能量密度的增大而提高，然而，当其粒度降至纳米级之后，情况发生了剧烈变化，不仅能量利用率得以大幅提升，而且冲击波感度、撞击感度也大幅下降，因此，超细的含能材料在爆炸逻辑网络、推进剂、激光起爆等诸多领域中都有重要的应用。目前，纳米含能材料越来越受到研究人员的关注，纳米含能材料的制备和应用研究已成为科学界和工程应用领域最感兴趣的课题之一。

（来源：海洋防务研究中心，作者：程大树 雷贺功）