Page 12 - 《含能材料》2018年优秀论文

全 氮 五 唑 化 合 物 研 究 进 展 991

文章编号：1006⁃9941（2018）11⁃0991⁃08

全氮五唑化合物研究进展

李珏成，靳云鹤，邓沐聪，张文全，张庆华

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999）

摘 要： 早期的五唑化学研究主要集中在芳基五唑的取代基效应和化合物稳定性等方面，但均未能成功制备出在室温下稳定存在
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的 cyclo⁃N 5 化合物。2017 年，我国科学家首次在低温条件下经过氧化切断的方法制备出稳定的 cyclo⁃N 5 ，通过阳离子交换等方法
得到不同结构的五唑含能离子盐，引起了含能材料领域的广泛关注。目前，全氮五唑材料的研究取得了一系列突破性进展，已成功
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制备出室温稳定的全氮五唑离子盐（cyclo⁃N 5 ），五唑类离子盐分解温度大多在 100 ℃以上，且五唑阴离子能与富氮阳离子成盐，为
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开发新型五唑含能材料提供了新思路。本文梳理了五唑阴离子 cyclo⁃N 5 的理论研究、合成探索、结构表征、以及对五唑化合物未来
发展的展望，从而为从事全氮材料合成研究工作者提供参考。
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关键词：五唑阴离子 N 5 ；芳基五唑；全氮材料；高能量密度材料；含能材料
中图分类号：TJ55；O62 文献标志码：A DOI：10.11943/CJEM2018191

无污染等优点。因此，设计合成新型全氮含能化合物
1 引 言 是高能量密度材料的重要发展方向，可显著提升材料

的能量水平，已成为含能材料领域的研究前沿和热点
高能量密度材料（HEDMs）是武器装备实现“远程
之一 ［1-3］ 。
打击”和“高效毁伤”的关键材料之一。随着现代战争
1772 年，Rutherford ［4］ 等首次在他的论文中提到
对武器装备要求的不断提升，发展新型高能量密度材
N 分子，这是人类发现的首个全氮化合物分子。相比
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料一直受到世界各国的高度重视。当前，随着含能材
较于 N 分子，其他全氮化合物 N（n>2）还未在大自然
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料学科发展的不断深入，传统 CHON 类含能材料面临 界 中 发 现 。 N 中 N N 键 能（946 kJ·mol ）远高于
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能量密度不高的瓶颈（理论密度 2.2 g·cm ），新一代 2
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3 倍 N—N 单 键（159.9 × 3=479.7 kJ·mol ）及 1.5 倍
高能量密度材料发展亟需新的理论和方向。全氮化合
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N N 双 键 键 能（418.2×1.5=627.3 kJ·mol ），所 以
物（N ，n>2）近 年 来 成 为 高 能 量 密 度 材 料 领 域 关 注 N—N 和 NN 键断裂时会释放出巨大能量。从热力
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的 重 点 ，这 种 全 部 由 N—N 键 或 N N 键 组 成 的 化
学角度，除氮气外，其它全氮类物质 N（n>2）非常不稳
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合 物 分 解 生 成 N 分 子 ，同 时 放 出 大 量 的 能 量 ，其 定，很容易分解成 N ，合成难度极大。这也导致在 N
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储⁃释 能 规 律 也 有 别 于 传 统 CHON 类 含 能 材 料 。理 2 2
被发现后的 200 多年里，人们新合成的全氮化合物寥
论计算表明，全氮化合物具有更高的生成焓（8×10 ~
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［4］
寥无几。直到 1890 年，Curtius 等首次发现了氮气之
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2×10 kJ·kg ），能量可达 3~8 倍 TNT 当量，理论推进
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外的另一种稳定全氮离子 N 。随着计算化学的发展，
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比冲可达 350~500 s，且具有高生成焓、爆轰产物清洁
理论化学家对许多全氮化合物 N（2<n≤60）的结构和
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稳定性进行了预测研究 ［5-6］ ，但全氮物质的合成研究发
收稿日期：2018⁃07⁃12；修回日期：2018⁃09⁃05
网络出版日期：2018⁃09⁃18 展 仍 然 非 常 缓 慢 。 直 到 1999 年 ，美 国 南 加 州 大 学
作 者 简 介 ：李 珏 成（1993-），男 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 含 能 材 料 研 Christe 等首次报道合成出呈折线形结构的 N 阳离
［7］
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究。e⁃mail：jli412616@163.com 子（N ），随后不久，Christe ［8-10］ 等又陆续报道了十几
+
通 信 联 系 人 ：张 文 全（1986-），男 ，副 研 究 员 ，主 要 从 事 含 能 材 料 研 5 + +
究。e⁃mail：zhangwq⁃cn@caep.cn 种由 N 组成的盐类物质。然而，N 离子的合成需要
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张 庆 华（1979-），男 ，研 究 员 ，主 要 从 事 新 型 含 能 材 料 应 用 基 础 研 在无水无氧和超低温下进行，一定程度上阻碍了该类
究。e⁃mail：qinghuazhang@caep.cn 化合物的性能和应用研究。2002 年，Cacace ［11］ 等通
引 用 本 文 ：李 珏 成 ,靳 云 鹤 ,邓 沐 聪 ，等 . 全 氮 五 唑 化 合 物 研 究 进 展 [J]. 含 能 材 料 ,2018,26(11):991-998.
LI Jue‑cheng,JIN Yun‑he,DENG Mu‑cong,et al. Recent Advances in Full‑Nitrogen Pentazole Compounds[J]. Chinese Journal of Energetic Materials（Hanneng Cail⁃
iao）,2018,26(11):991-998.
CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2018 年 第 26 卷 第 11 期 （991-998）