[发明专利]一种有机无机杂化含能材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种有机无机杂化含能材料及其制备方法，所述含能材料由有机氧化剂和无机金属燃料组成，其中有机氧化剂选自聚四氟乙烯、氟化石墨烯、全氟羧酸、偏氟乙烯‑三氟氯乙烯1:1共聚物和偏氟乙烯‑三氟氯乙烯1:4共聚物中的任意一种或几种，所述无机金属燃料选自铝、镁、硼、硅和钛中的任意一种或几种，通过有机无机杂化的方式组装含能材料，控制有机氧化剂和无机金属燃料的微观结构和组分的均匀性，形成有机无机杂化含能材料，获得高能量密度的含能材料。

技术领域

本发明涉及含能材料技术领域，具体涉及一种有机无机杂化含能材料及其制备方法，主要用于高能含能材料的制备。

背景技术

含能材料是武器系统推进和毁伤的能源，对于武器性能发展具有重要的意义。其中如何提高含能材料的高能量密度对于含能材料的发展和武器性能提升非常关键。

CHON炸药在武器弹药中应用最为广泛，但因其元素的原子质量小，同时受其元素种类、原子堆砌方式和化学键能的限制，提高密度和能量的空间有限。现有CHON炸药极限密度为2.3g/cm³,爆轰性能提高潜能只有30％，难以满足未来武器对高能量密度含能材料的需求。为了提高CHON炸药的能量密度，研究者在CHON炸药分子中引入新元素，如非金属(F、Cl)、金属元素(Si、B)等。F与O相比，氧化剂更强，原子量更大，因此用F取代O可以提高密度和能量。二氯氨基引入到HMX，可提高HMX的密度(4.7％)、能量(爆压提高26.7％)和比冲(提高4.8％)。美国海军实验室在类似硝铵类炸药(如HMX、RDX)的环状结构中部分引入NF₂，以此来提高能量，合成出了3,3,7,7-四(二氟氨基)八氢化-1,5-二硝基-1,5-二氮杂辛烷(HNFX)，但产率仅约为1％。在分子内引入氟元素可以显著提高能量密度，然而合成难度大、产物稳定性差，无法获得可用的高能量含能材料。

与非金属相比，金属元素密度更大，化学键能更高，在提升含能材料的能量密度方面具有很大潜力。早期在分子内引入重金属元素如铅(Pb)、铜(Cu)、汞(Hg)等形成的叠氮化物，如叠氮化铅(Pb(N₃)₂)、斯蒂酚酸铅(PbC₈HO₂(NO₂)₃)在起爆药中得到应用。用硼(B)或硅(Si)代替C或H，其热值和密度可大幅度提高，科学家试图在炸药分子内引入此类元素合成BN₉，TiN₉,Zn(C₃H₉N₉)等，但合成条件苛刻，仅有理论探索价值。另外金属元素一般采用络合方式存在，如金属配合物炸药高氯酸·四氨·双叠氮基合钴(Ⅲ)(1.75g/cm³)和四氨·双(3,5-硝基三唑)合铜(1.81g/cm³)，由于络合剂大的空间位阻限制了含能分子的密度，使得整体密度和CHON炸药相当。在分子内引入金属元素，使得能量密度显著增加，然而稳定性差，合成条件苛刻。

前期大量的研究表明，在CHOH这种分子中直接引入非金属和金属元素提高能量密度的方法是不可行的。近年来，为了将非金属和金属元素引入合成在一个分子中，提高含能材料的能量密度，开发了含能金属有机框架化合物(Metal Organic Frameworks,MOFs)。金属有机框架化合物属于配位聚合物，是一类由离散的金属离子或离子簇通过二啮或多啮配体，如芳香族多元羧酸或多元胺等相互连接并自组装而形成的晶体材料，具有多变的拓扑结构以及特定尺寸的规则孔道。含能金属有机框架化合物的制备方法简单、产率高，通过改变金属离子以及有机配体的种类。但大量的研究发现，含能金属有机框架化合物安全性极差，极易在热、力等刺激下发生爆炸，导致无法使用。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种有机无机杂化含能材料及其制备方法，将氟元素以有机物形式作为氧化剂，高活性金属作为燃料，通过有机无机杂化的方式组装含能材料，控制有机氧化剂和无机金属燃料的微观结构和尺寸分布的均匀性，形成有机无机杂化含能材料，获得高能量密度的含能材料。