中国原创突破!TYX系列含能材料成功攻克“不可能三角”,实现高能,低感,耐热协同提升

在含能材料领域, 实现高能量密度, 低感度与高耐热性的协同优化, 是困扰国际学术界与工程界多年来的重大科学难题, 被视为制约新一代高性能炸药与推进剂发展的“不可能三角”. 传统材料体系往往难以兼顾三者, 致使性能提升陷入瓶颈. 而今, 这一僵局被中国科研团队凭借原创的“高氮骨架”设计理念成功打破. 由西安近代化学研究所牵头, 联合南京理工大学, 西北工业大学及甘肃银光集团组成的跨机构研发团队, 历时三年系统攻关, 首次在单一分子骨架上实现了能量密度, 安全性与热稳定性的协同突破, 研制出具有完全自主知识产权的新型TYX系列含能材料. 该系列材料不仅具备优异能量释放特性, 更在感度与耐热性方面表现卓越, 为推进剂与炸药系统的性能跃升提供了全新材料平台. 相关研究成果已连续发表于国际权威期刊和, 标志着我国在高性能含能材料领域取得关键突破, 为全球含能材料发展注入新动力. “三角困境”的根源:能量, 安全与热稳定为何难以兼得 含能材料广泛用于深井采矿, 宇航工程等军民领域. 一般来说, 能量越高的材料, 对外界刺激(如撞击, 摩擦)就越敏感, 安全风险大;而若要提高其稳定性与耐热性, 则往往需牺牲部分能量. 这种“能量-感度-热稳定”之间难以调和的矛盾, 成为国际学界公认的重大挑战, 也被称为含能材料领域的“圣杯难题”. 图1.  含能材料性能三角困境 中国方案:高氮骨架“智能设计”打破性能壁垒 研究团队跳出传统思维, 不再依赖经典的离子型结构, 转而设计出一类全新的“平面双内盐”骨架. 该骨架以高氮含量为核心特点, 巧妙利用氮原子自身的高生成焓和多气体产物特性, 为能量释放奠定基础;同时借助富氮体系所带来的丰富氢键和π–π堆积效应, 极大增强材料的本征稳定性. 更令人称道的是, 该团队同步开发出仅需2–3步的高效合成工艺, 成功实现TYX系列含能材料的规模化制备, 且全程规避高敏感中间体, 为未来工程转化打下坚实基础. 图2.  TYX-1, TYX-2和TYX-3的合成路线 三类TYX材料, 各具绝技 TYX-1:超耐热钝感材料 热分解温度高达473℃, 机械感度与目前最安全的TATB炸药相当, 理论爆速不低于经典高能炸药RDX, 特别适用于超高温环境下的爆破和推进任务. TYX-2:高能且安全 理论爆速可达9. 9 km/s, 与目前能量最高的CL-20相当, 但撞击和摩擦感度显著低于CL-20, 解决了“高能量必高敏感”的传统困境. TYX-3:均衡型选手 在保持良好热稳定性(365℃)和低感度的前提下, 理论爆速与HMX相当, 是目前综合性能最优的耐热钝感含能材料之一. 图3.  TYX系列含能材料结构及性能 理论计算揭示反应机制, 微观结构支撑宏观性能 通过单晶解析与理论计算, 团队进一步揭示其性能突破的微观机制:平面共轭结构促进电荷离域, 高频氢键网络增强内聚力, 多重分子间作用形成能量“缓冲带”, 共同造就其“高能且温和”的独特性质. 图4.  TYX-1环化反应机理 应用前景:推进剂与发射药迎性能升级 在多项固体推进剂与发射药配方的仿真评估中, TYX系列含能材料展现出显著的系统增效潜力: 在固体推进剂与发射药配方的理论计算与仿真评估中, TYX系列含能材料展现出显著提升武器系统综合效能的潜力. 例如, 在PNMMO基固体推进剂(表1)中引入TYX系列含能材料, 可为配方体系带来多方面的性能提升:其比冲相较于AP基推进剂最高提升35. 6 s. 表1 低特征信号PNMMO推进剂的能量特性参数 注:a燃烧温度, b特征速度, c比冲(NASA-CEA软件计算) 在典型三基发射药体系中(表2)引入TYX-2, 火药力较RDX/HMX体系提升约30 J·g-1, 燃烧产物中氮气含量达31. 1%, 爆温降低超过150 K, 显著抑制烧蚀, 提升热安全性并延长使用寿命 表2 典型三基发射药配方及其能量参数计算值 注:a火药力, b爆温, c燃烧产物中的氮气占比 结语:中国方案, 开启含能材料新纪元 TYX系列含能材料的成功研制, 标志着我国在高性能含能材料领域取得重大原创突破, 犹如一把精准的钥匙, 解开了困扰国际含能领域近百年的“不可能三角”之锁—首次在单一分子骨架上同步实现了高能量密度, 低感度和高热稳定性的协同提升. 这一突破源于创新的分子设计与电子结构调控, 依托“高氮核心骨架”与“一骨架, 三协同”的设计理念, 融合高氮含量, 平面共轭结构及密集氢键网络等多重协同机制, 从微观层面奠定了宏观性能的全面飞跃. 其能量密度显著优于现有高能炸药, 撞击与摩擦感度大幅降低, 热分解温度远超同类物质, 展现出极端环境下的优异可靠性. 在固体推进剂和发射药中, TYX系列含能材料表现出巨大应用潜力:可同步提升比冲与力密度, 降低燃温, 抑制烧蚀, 为延长武器寿命提供关键技术支撑. 该材料不仅为新一代高能, 钝感, 耐热型尖端装备系统提供关键材料基础, 更为我国宇航工程, 民用爆破技术及国际含能材料发展注入强劲的“中国动能”, 推动我国含能材料向高性能, 高安全, 耐候化方向跨越发展. 这一“中国方案”有望在全球含能领域掀起新浪潮, 为国防安全与民用技术发展贡献重要力量, 最终在攻克该领域世界级难题中树立中国标杆. 文章来源: Journal of Materials Chemistry A, 2025, 13, 25103-25109. Defence Technology, 2025, 52, 220-229. Defence Technology, 2025, DOI: 10. 1016/j. dt. 2025. 09. 025. 通讯作者:谭博军, 刘宁, 张根, 张庆华 第一作者:谭博军, 窦金康, 苏剑, 杨雄, 唐长伟 单位:西安近代化学研究所, 南京理工大学, 西北工业大学, 甘肃银光集团