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共晶炸药：结构、性能、筛选与展望

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代军事和工业领域，炸药作为一种关键的含能材料，发挥着不可或缺的作用。从军事上的武器弹药，到工业中的矿山开采、工程爆破等，炸药的性能直接影响着相关作业的效果与安全。然而，长期以来，炸药的能量与感度之间存在着难以调和的矛盾，成为制约其发展与应用的瓶颈。

一般而言，炸药的能量越高，其感度往往也越高，稳定性则相应降低。这是因为高能量的炸药通常含有更多的高能化学键，这些化学键在受到外界刺激（如热、冲击、摩擦等）时，更容易发生断裂，从而引发炸药的爆炸反应。例如，传统的高能炸药黑索金（RDX），具有较高的爆速和爆压，能量输出强大，但其机械感度也相对较高，在生产、储存和运输过程中存在一定的安全风险。一旦受到意外的冲击或摩擦，就可能引发爆炸，造成严重的人员伤亡和财产损失。

在军事应用中，武器系统对炸药的性能提出了极高的要求。一方面，需要炸药具有足够高的能量，以确保武器具备强大的毁伤力，能够有效地打击目标。例如，导弹、炮弹等武器中的战斗部，需要炸药在爆炸时释放出巨大的能量，产生强烈的冲击波和破片，对敌方目标造成致命的打击。另一方面，为了保障武器系统在各种复杂环境下的安全使用和储存，炸药的感度又必须得到有效控制。如果炸药感度过高，在武器的运输、装填和储存过程中，稍有不慎就可能引发爆炸，导致武器失效，甚至对己方人员和装备造成严重威胁。

在工业领域，如矿山开采、隧道挖掘等工程爆破作业中，炸药的能量与感度矛盾同样带来了诸多挑战。在矿山开采中，需要炸药能够高效地破碎矿石，提高开采效率。但如果炸药感度过高，在钻孔、装药等操作过程中，容易因外界因素引发早爆事故，不仅会影响开采进度，还可能造成人员伤亡和设备损坏。在隧道挖掘中，对炸药的安全性和稳定性要求更为严格，因为隧道施工环境复杂，空间狭窄，一旦发生炸药爆炸事故，后果不堪设想。

共晶炸药的出现，为解决炸药能量与感度之间的矛盾提供了新的途径。共晶炸药是由两种或两种以上的分子通过分子间非共价键（如氢键、范德华力和π-π键等）作用，在同一晶格中形成的超分子晶体。这种独特的结构使得共晶炸药能够综合各组分的优点，在一定程度上实现能量与感度的平衡。通过合理选择共晶组分，可以在不显著降低炸药能量的前提下，有效降低其感度，提高炸药的安全性和稳定性。

以六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）为例，CL-20是目前已知的能量最高、威力最大的非核单质炸药之一，其爆速比现今的主流炸药奥克托今（HMX）约提升6%，能量输出约提升13%。然而，CL-20的机械感度过高，严重限制了其在军事领域的广泛应用。研究人员通过共晶技术，将CL-20与其他钝感炸药或含能材料形成共晶炸药，取得了显著的效果。宋小兰等利用蒸发结晶法制备的CL-20/DNT共晶炸药，在保持高能量水平和良好稳定性的同时，机械感度大幅下降。杭贵云等利用喷雾干燥法制备的CL-20/RDX共晶炸药，其撞击感度和摩擦感度与原料CL-20相比分别下降24%、36%。这些研究表明，共晶技术能够有效地改善CL-20的性能，使其在军事领域的应用更具可行性。

在工业领域，共晶炸药的应用也展现出了巨大的潜力。例如，在一些对安全性要求较高的爆破工程中，使用共晶炸药可以降低事故发生的风险，同时保证爆破效果。共晶炸药还可以根据不同的工程需求，通过调整共晶组分和制备工艺，实现对炸药性能的精准调控，提高炸药的适用性和经济性。

因此，深入研究共晶炸药具有重要的理论和实际意义。从理论角度来看，共晶炸药的研究涉及到分子间相互作用、晶体结构与性能关系等多个领域的知识，有助于深入理解含能材料的物理化学性质，丰富和完善含能材料的理论体系。从实际应用角度来看，共晶炸药的研究成果可以为军事和工业领域提供高性能、安全可靠的炸药产品，推动相关领域的技术进步和发展。同时，共晶炸药的研究也符合当今社会对安全、环保、高效的发展需求，对于保障国家安全、促进经济发展具有重要的战略意义。

1.2共晶炸药的发展历程

共晶的概念最早可追溯到19世纪，1844年，FriedrichWohler研究得到了醌氢醌共晶，这是最早被报道的共晶，为后续共晶领域的研究奠定了基础。然而在当时，共晶的研究主要集中在基础科学领域，对于其在含能材料，尤其是炸药方面的应用探索尚处于萌芽阶段。

进入20世纪，随着材料科学和化学工程技术的不断发展，人们逐渐认识到共晶结构在改善材料性能方面的巨大潜力。在含能材料领域，科研人员开始尝试利用共晶技术来优化炸药的性能。但早期的研究进展较为缓慢，一方面是因为对共晶形成的原理和机制理解不够深入，难以准确预测和控制共晶的形成；另一方面，当时传统炸药在军事和工业领域仍占据