有機(jī)富氮類氣體發(fā)生劑研究進(jìn)展

韓志躍，姜 琪，杜志明，戴良玉，張宇鵬

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 2.廈門科飛氣體動(dòng)力研究院(有限公司)， 福建 廈門 361000)

氣體發(fā)生劑是通過燃燒反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)迅速產(chǎn)生大量氣體的物質(zhì)，在軍事和民用領(lǐng)域都有非常廣泛的用途。過去氣體發(fā)生劑主要用于汽車安全氣囊，近年來，氣體發(fā)生劑在太空氣囊系統(tǒng)、無人機(jī)和航天器軟著陸、低密度炸藥[1]、巡飛彈翼展等領(lǐng)域不斷獲得重要應(yīng)用。在我國(guó)的“嫦娥”探月、深空探測(cè)等計(jì)劃中，都離不開氣體發(fā)生劑。此外，氣體發(fā)生劑已經(jīng)拓展到包括果蔬保鮮[2]、深水沉物捕撈[3]、民航應(yīng)急安全滑梯快速充氣[4]、鐵路運(yùn)輸?shù)木o急制動(dòng)、油氣輸送管道緊急關(guān)閘、飛機(jī)駕駛員座椅彈射、緊急救生、快速消防滅火等場(chǎng)合。

過去應(yīng)用最為廣泛的氣體發(fā)生劑都是以疊氮化鈉等無機(jī)疊氮類化合物為產(chǎn)氣物質(zhì)的氣體發(fā)生劑。堿金屬疊氮化物為可燃劑，以金屬氧化物(Fe2O3、MnO2等)、硝酸鹽(KNO3、NaNO3)為氧化劑組成混合物，有時(shí)還加入催化劑、冷卻劑等調(diào)節(jié)劑提高其性能。從安全性和價(jià)格等方面考慮，幾乎所有疊氮化物類氣體發(fā)生劑配方均選用NaN3作為產(chǎn)氣劑，這是因?yàn)榕c其他疊氮化物相比，NaN3熱穩(wěn)定性較好，且感度比其他疊氮化物都低[5]。這一類氣體發(fā)生劑具有易于點(diǎn)火，燃燒溫度低，生成氣體主要為無毒的氮?dú)獾葍?yōu)點(diǎn)。

雖然疊氮類化合鈉作為產(chǎn)氣劑有自己的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，但疊氮類化合鈉有劇毒，其毒性是砷的近30倍。0.05 g的NaN3進(jìn)入人的腸胃，即能引起劇烈心跳，隨之昏迷，超過0.05 g劑量時(shí)，可能引起死亡，這給安全生產(chǎn)帶來較大隱患。除此之外，疊氮類化合物氣體發(fā)生劑產(chǎn)氣量較小，難以滿足航天等對(duì)體積和質(zhì)量嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。因此，研究疊氮化物的替代品作為新的產(chǎn)氣物質(zhì)具有重要意義。

有機(jī)富氮化合物指分子結(jié)構(gòu)中含氮量較高的有機(jī)化合物，是目前前景較好的一類可以作為疊氮化物替代品的產(chǎn)氣物質(zhì)。根據(jù)有機(jī)富氮化合物母體的不同可將其分為：唑類、胍類、嗪類等。相比于普通的含能材料，有機(jī)富氮化合物具有以下特點(diǎn)：① 它們不符合通常的炸藥能量高感度亦高的規(guī)律；② 高的氮含量使整個(gè)分子具有正生成焓；③ 分子中氮原子增加，碳、氫原子減少，利于改善氣體發(fā)生劑配方的氧平衡；④ 燃燒產(chǎn)物主要為無毒的氮?dú)?。因此有機(jī)富氮化合物在氣體發(fā)生劑領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

1 唑類

唑類氣體發(fā)生劑主要以三唑酮類[6]、四唑類及它們的鹽[7-12]為產(chǎn)氣還原劑。這是一類很重要的氣體發(fā)生劑，其主要優(yōu)點(diǎn)是唑類化合物含氮量較高，密度高，生成焓高，產(chǎn)氣量較大且多為氮?dú)猓梢允谷紵a(chǎn)物少煙或無煙。

1.1 5-氨基四唑類

5-氨基四唑類有機(jī)富氮化合物是以5-氨基四唑(5-AT)為主要原料而合成的一類含能材料，這類化合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，含氮量高(通常在80%以上)，受到研究者的廣泛關(guān)注。

美國(guó)人Poole[13]首先將5-AT作為可燃劑加入氣體發(fā)生劑的配方之中，同時(shí)以堿金屬硝酸鹽作為氧化劑，有效提高了氣體發(fā)生劑的產(chǎn)氣量。

Lund等[14]對(duì)該配方進(jìn)行優(yōu)化，將金屬Cu和Zn引入配方之中，并合成5-氨基四唑金屬鹽，氧化劑使用傳統(tǒng)氧化劑，該類氣體發(fā)生劑配方燃燒產(chǎn)氣量高，且大部分為氮?dú)狻?/p>

大和洋[15]研制了以雙氰胺(DCD)和5-AT為可燃劑的氣體發(fā)生劑，在燃燒后煙霧含量較小。41.9 g該配方氣體發(fā)生劑和2.5 g促進(jìn)劑在60 L的罐子內(nèi)燃燒后的煙霧質(zhì)量?jī)H504 mg。

王宏社等[16]通過使用ZnBr2作為催化劑優(yōu)化5-AT的合成，合成流程如圖1所示。通過試驗(yàn)確定了當(dāng)n(NaN3)∶n(DCD)=1∶1.6、n(NaN3)∶n(ZnBr2)=1∶0.3、反應(yīng)溫度為75～85 ℃、反應(yīng)時(shí)間5.5 h時(shí)，平均收率最大，為83.6%。該方法工藝簡(jiǎn)單、催化劑價(jià)格低廉、產(chǎn)品收率高且可以避免劇毒中間體的產(chǎn)生。

圖1 5-AT合成流程

Burns科研組[17]設(shè)計(jì)了5-氨基四唑硝酸鹽(5-ATN)和穩(wěn)相硝酸銨(PASN)的氣體發(fā)生劑，使得產(chǎn)氣量大大提高。該課題組又在這一氣體發(fā)生劑配方的基礎(chǔ)上加入SiO2對(duì)配方進(jìn)行優(yōu)化，順利通過了美國(guó)氣體發(fā)生劑的性能測(cè)試，成功應(yīng)用于汽車安全氣囊中。

王盟盟等[18]通過正交試驗(yàn)得到5-ATN的最優(yōu)合成工藝，該工藝反應(yīng)溫度低，時(shí)間短且產(chǎn)率高。同時(shí)，通過吸濕性測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)5-ATN的吸濕性低，可以解決5-AT分子含有不穩(wěn)定結(jié)晶水，配方藥劑吸濕性波動(dòng)大的問題。

葛亞慶等[19]對(duì)不同氧平衡狀態(tài)的5-AT/CuO氣體發(fā)生劑的燃燒熱、燃燒溫度、產(chǎn)氣量、氣體產(chǎn)物等燃燒性能進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明5-AT/CuO氣體發(fā)生劑具有機(jī)械感度低、燃燒熱低、燃燒溫度低、有害氣體少等優(yōu)點(diǎn)，但是產(chǎn)氣量不大且產(chǎn)氣壓力不穩(wěn)定，波動(dòng)較大。

1.2 偶氮四唑鹽類

美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)的Hiskey[20]等通過5-AT作原料制得了偶氮四唑銨鹽、偶氮四唑三氨基胍鹽、偶氮四唑胍鹽等偶氮四唑類含能材料，這些鹽類被后續(xù)研究人員用于氣體發(fā)生劑。

美國(guó)Khandhadia等[21]研究了以5,5’-偶氮四唑雙胍鹽為可燃劑，以特殊硝酸銨為氧化劑，得到產(chǎn)氣量大、固體殘?jiān)?、燃燒速率適中、熱穩(wěn)定性好且適用于汽車安全氣囊的氣體發(fā)生劑。

北京理工大學(xué)王宏社[22]，設(shè)計(jì)了偶氮四唑胍鹽等富氮物質(zhì)為產(chǎn)氣劑的氣體發(fā)生劑配方，詳細(xì)研究了感度、燃燒熱、燃燒溫度、比容、P-t曲線等性能指標(biāo)。

國(guó)防科技大學(xué)徐松林、陽(yáng)世清等[23]通過研究指出，偶氮四唑非金屬鹽具有產(chǎn)氣量大和燃?xì)馇鍧嵉奶攸c(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

西安近代化學(xué)研究所王瓊等[24]采用澆鑄工藝制備了偶氮四唑胍鹽(GZT)，研究了含GZT的RDX-CMDB推進(jìn)劑的各項(xiàng)性能。指出GZT降低燃燒溫度、減少固體殘?jiān)驮龃螽a(chǎn)氣量的特性使其非常適合用于高性能氣體發(fā)生劑。

1.3 其他唑類

Highsmith等[25]研究了以雙(1,2-2H-5-四唑)胺(BTA)為燃料的氣體發(fā)生劑，該氣體發(fā)生劑燃燒無毒、燃燒速率快、產(chǎn)氣量大，與傳統(tǒng)的疊氮化鈉相比，在短時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生更多的氣體。

Shingo Date 等[26]研究了1-四唑基-5-H-四唑胍鹽為燃料分別選擇氧化銅、氧化鐵、氧化錳、氧化鋅為氧化劑的氣體發(fā)生劑。測(cè)試了每種配方的機(jī)械感度和熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明氧化銅作為氧化劑的配方各方面性能都較好。

綜上所述，唑類富氮化合物具有較高的正生成焓、燃燒無煙或少煙、氣體產(chǎn)物多為氮?dú)狻⒛芰棵芏雀叩膬?yōu)點(diǎn)，適合作為疊氮化鈉的替代物。幾種唑類氣體發(fā)生劑的配方和主要性能見表1。

表1 唑類氣體發(fā)生劑配方及性能

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，唑類氣體發(fā)生劑燃燒溫度較低，燃燒速率適中，有一定的使用價(jià)值。加入過渡金屬Zn將5-AT轉(zhuǎn)化為5-氨基四唑金屬鹽，可以降低氣體發(fā)生劑配方的燃燒溫度，但同時(shí)也限制了燃燒速率。原因可能是Zn(AT)比5-AT更穩(wěn)定，還原性更低，因此燃燒反應(yīng)速率和反應(yīng)溫度都隨之降低。CuO作為氧化劑對(duì)燃燒反應(yīng)有一定催化作用，可以降低燃燒溫度，但大幅度降低了單位質(zhì)量藥劑的產(chǎn)氣量，這主要是因?yàn)镃uO 比重大且有效含氧量小的緣故。若以單位體積藥劑產(chǎn)氣量考慮，仍然有其適用場(chǎng)合。5-ATN/PASN配方與其他配方相比，燃燒速率適中，產(chǎn)氣量大，但兩個(gè)組分的熱安定性不好，尤其含有硝酸銨類物質(zhì)，其安全性和長(zhǎng)期儲(chǔ)存性能需慎重對(duì)待。

2 胍類

胍類氣體發(fā)生劑是一類目前研究較為廣泛的高性能的有機(jī)富氮化合物類氣體發(fā)生劑，主要包括硝基胍(NQ)、硝酸胍(GN)、三氨基硝酸胍(TAGN)等胍的衍生物。

日本大賽璐公司的吳建洲等[27-31]對(duì)NQ、GN類氣體發(fā)生劑做了大量研究，發(fā)現(xiàn)氯酸鹽和高氯酸鹽可以改變這一類配方的燃燒性能，但是對(duì)于燃燒速率的提高效果并不明顯。

美國(guó)密歇根大學(xué)安娜堡分校的Khandhadia[32]等研發(fā)了一種主要成分為GN，以穩(wěn)相硝酸銨或非金屬氧化物為氧化劑的新型胍類氣體發(fā)生劑，產(chǎn)氣量大而且熱穩(wěn)定性較傳統(tǒng)的唑類和嗪類氣體發(fā)生劑有很大提高。2006年，Mendenhall課題組[33-35]在該配方中加入磷酸氫二胺雙四唑銅鹽，有效提高了燃燒速率并降低了壓力敏感度。2007年，該課題組[36]提出將配方內(nèi)的過渡金屬鹽替換為雙4-硝酸咪唑銅鹽，使產(chǎn)氣量進(jìn)一步提高。

徐松林、陽(yáng)世清[37]對(duì)TAGN進(jìn)行了放大合成工藝及表征。改進(jìn)了硝酸胍法(此方法是合成TAGN的主要方法之一)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，提高了反應(yīng)產(chǎn)率和產(chǎn)物純度，使產(chǎn)量達(dá)到公斤級(jí)，為胍類高能富氮有機(jī)化合物的實(shí)際應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。合成路線如圖2所示。

王秋雨等[40]研究了GN/BCN氣體發(fā)生劑的干、濕法工藝對(duì)其產(chǎn)氣量的影響。發(fā)現(xiàn)干法造粒工藝在工藝復(fù)雜程度、能耗、原料損耗方面比濕法造粒工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且所制粒子均勻性更佳、流動(dòng)性更好、壓片參數(shù)相對(duì)更優(yōu)。

綜上所述，胍類氣體發(fā)生劑具有化學(xué)穩(wěn)定性好、產(chǎn)氣量大、原料易得的優(yōu)點(diǎn)，但是燃燒溫度普遍較高(見表2)。因此，需要此類配方的氧化劑具有有效含氧量高和生成熱小的特性。這類配方氣體發(fā)生劑燃燒形成的氣體產(chǎn)物中水蒸氣含量較大，而水蒸氣在溫度下降到100 ℃以下時(shí)會(huì)迅速液化使氣體總量減少，因此，壓力波動(dòng)有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合不太適用。由于汽車氣囊在完成對(duì)人員的瞬時(shí)保護(hù)后要求氣囊壓力快速下降，這類氣體發(fā)生劑目前得到廣泛應(yīng)用。

圖2 TAGN合成流程

序號(hào)配方質(zhì)量比燃燒溫度/K燃燒速率/(mm·s-1)產(chǎn)氣量/(mol·100 g-1)文獻(xiàn)1GN; NQ; NH4NO3; KNO335.7∶10.0∶46.1∶8.22 4787.2-[31]2GN; BCN;CuDABT; BCuATN;Al2O3;SiO228.58∶21.36∶4∶43.36∶1.5∶1.21 95938.71-[32]3GN;BCN;AP;KNO355.20∶24.13∶10.63∶10.041 9010.8673.01[38]4TAGN;NH4NO3;CuCO334.9∶59.2∶5.92 42938.9(9 MPa)-[41]5BCN;GN;SiO2;KP26.0∶59.7∶0.3∶14.0<2 30043.75.2[42]

3 嗪類

嗪類有機(jī)化合物也是一類近年來國(guó)內(nèi)外研究較多的可用于氣體發(fā)生劑的富氮化合物，具有機(jī)械感度低和熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。嗪類有機(jī)富氮化合物主要分為三嗪和四嗪類。

3.1 三嗪類

三嗪環(huán)張力較小，穩(wěn)定性好，含氮量為51.83%，具有很高的生成焓。三嗪有三種同分異構(gòu)體，最常見的是1,3,5-三嗪(均三嗪，s-三嗪)[43]。三嗪類富氮化合物多以1,3,5-三嗪環(huán)為母體，在容易發(fā)生取代的2、4、6位置上直接取代或加橋連接后形成新的富氮化合物。

大和洋[44]成功申請(qǐng)嗪類配方的氣體發(fā)生劑的專利，以三肼基三嗪為燃料，以含氧酸鹽、金屬氧化物和金屬二氧化物或其混合物為氧化劑。這一配方長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，安全性高，但是產(chǎn)氣量較小。該配方通過擠壓成型法將藥劑最小化，并批量生產(chǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了在汽車安全氣囊上的應(yīng)用。

郝曉春[45]等對(duì)三-5-氨基四唑-三嗪(TTAT)的合成方法進(jìn)行了優(yōu)化，將2,4,6-三氯-1,3,5-三嗪與5-氨基四唑的物料比由之前1∶3改進(jìn)為1∶6，得到最高產(chǎn)率為55.8%，同時(shí)反應(yīng)時(shí)間縮短，沒有副產(chǎn)物出現(xiàn)，這也大大提高了TTAT的純度。除此之外， DSC測(cè)試手段證明TTAT熱穩(wěn)定性好，但分解速度較慢。

3.2 四嗪類

四嗪類富氮化合物主要是以1,2,4,5-四嗪環(huán)為母體、在其容易發(fā)生取代的3、6位置直接取代或加橋(即連接單元)取代生成的化合物。含四嗪化合物的氣體發(fā)生劑具有燃速高、產(chǎn)氣量大、燃燒氣體產(chǎn)物清潔等優(yōu)點(diǎn)，是氣體發(fā)生劑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前在氣體發(fā)生劑領(lǐng)域四嗪類化合物中比較具有潛力的包括：3,6-雙(1-氫-1,2,3,4-四唑-5-氨基)-1,2,4,5-四嗪(BTATz)、3,3’-偶氮基-雙(6-氨基-1,2,4,5-四嗪)(DAAT)、3,6-二肼基-1,2,4,5-四嗪(DHT)、3,6-二氨基-1,2,4,5-四嗪-1,4-二氧化物(LAX-112或DATZO2)等。

Stephen等[46]在研究BTATz對(duì)無煙煙火劑的適用性時(shí)，發(fā)現(xiàn)BTATz具有燃?jí)旱?、燃速?duì)壓強(qiáng)的依賴程度小的特點(diǎn)。BTATz/ATZ/KP(高氯酸鉀)的混合配方的產(chǎn)氣量每100 g超過4mol，且氮?dú)獾馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，除此之外，BATAz產(chǎn)生大量N2的同時(shí)也起到了降低燃溫的效果，據(jù)推測(cè)，該類型氣體發(fā)生劑在美國(guó)的火星探測(cè)等計(jì)劃中獲得了應(yīng)用。David等[47]系統(tǒng)報(bào)道了 BTATz及其氧化物的合成與性能研究，同時(shí)制備了BTATz的二肼鹽、二銨鹽和二羥胺鹽。Ali等[48]研究了BTATz和DAATO3.5作為固體推進(jìn)劑微推力系統(tǒng)中的燃料，研究表明BTATz 和DAATO3.5易于點(diǎn)火、燃溫低、感度低、長(zhǎng)期貯存性能和安全性能好。

Hiskey等[49]在研究DHT時(shí)合成出DAAT。徐松林[50]等對(duì)DAAT進(jìn)行了合成及性能研究。合成方法如圖3所示。DAAT的含氮量為76.36%，生成焓為862 kJ·mol-1，對(duì)靜電和摩擦較為鈍感，DSC峰溫為320 ℃。DAAT具有含氮量高、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，十分適合用于氣體發(fā)生劑。

Burns等[51]使用DHT代替疊氮化鈉作為汽車安全氣囊的氣體發(fā)生劑，同時(shí)做了大量的研究工作，認(rèn)為DHT產(chǎn)氣清潔，燃溫低，作為氣體發(fā)生劑有廣闊的前景。

Helmy等[52]研究了DHT和LAX-112在氣體發(fā)生劑領(lǐng)域的應(yīng)用，認(rèn)為該類氣體發(fā)生劑的燃燒溫度低，燃燒殘?jiān)?，燃燒產(chǎn)物無毒、少煙，因此適用于汽車安全氣囊。

3.3 2,6-二氨基-3,5-二硝基-1-氧吡嗪(ANPZO)

李玉平[53]研究了ANPZO作為可燃劑、NH4NO3/KClO4復(fù)配作為氧化劑的氣體發(fā)生劑，NH4NO3的加入有利于提高產(chǎn)氣量，該氣體發(fā)生劑燃燒溫度低于胍類氣體發(fā)生劑。李玉平又研發(fā)了一種基于ANPZO的安全氣囊用氣體發(fā)生劑，該配方燃燒殘?jiān)实?、產(chǎn)氣量大、燃速快。

嗪類化合物具有較好的熱穩(wěn)定性，較低的摩擦感度和撞擊感度，燃燒產(chǎn)物少煙或無煙。嗪類化合物為主要成分的氣體發(fā)生劑具有燃燒速率快、產(chǎn)氣量適中、有害氣體少的優(yōu)點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的疊氮化物氣體發(fā)生劑在性能方面有了明顯的提高。通過對(duì)表3各配方的比較，可以發(fā)現(xiàn)：CuO作為氧化劑可以有效降低燃燒溫度，但是燃燒速度過低且產(chǎn)氣量少；Sr(NO3)2作為氧化劑時(shí)，產(chǎn)氣量較高，但燃燒溫度過高；KNO3作為氧化劑時(shí)，相對(duì)而言THT的綜合產(chǎn)氣性能最好，不僅燃燒速率快，而且產(chǎn)氣量較CuO作為氧化劑時(shí)有較大提升，燃燒溫度較Sr(NO3)2作為氧化劑時(shí)有明顯降低。配方4與配方1、2、3相比，具有極高的反應(yīng)速率和較大的產(chǎn)氣量，在短時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生更多的氣體，但是也存在配方組成較為復(fù)雜，燃燒溫度相對(duì)較高的缺陷。燃燒溫度與燃燒速率之間通常呈現(xiàn)正相關(guān)，因此可以在滿足性能需求的基礎(chǔ)上控制反應(yīng)速率，降低燃燒溫度，使氣體發(fā)生劑的綜合性能得到提升。

4 其他類

4.1 呋咱類

呋咱類化合物的母體結(jié)構(gòu)為五元氮氧雜環(huán)，一般密度和氧平衡普遍高于四嗪類和四唑類化合物，但是熱穩(wěn)定性較差。Blomquist等[54]發(fā)現(xiàn)3-硝胺-硝基呋咱羥胺(HANNF)是一種很好的產(chǎn)氣劑，有著比較大的發(fā)展空間。二氨基呋咱(DAF)是制備呋咱類化合物重要的前體物質(zhì)，雷晴等[55]研究了一種較為簡(jiǎn)單的DAF制備方法，流程如圖4所示。

圖4 DAF制備流程

4.2 六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)

CL-20是一種具有籠型多環(huán)硝銨結(jié)構(gòu)的高能量密度化合物， Nielsen[56]首次合成CL-20，該化合物已經(jīng)在高能炸藥領(lǐng)域作為黑索金(RDX)和奧克托今(HMX)的升級(jí)替代品獲得廣泛研究。Daoud等[57-58]首先提出了以CL-20為燃料、硝酸銨為氧化劑、聚乙酸內(nèi)酯為黏合劑的氣體發(fā)生劑，此氣體發(fā)生劑燃燒氣體產(chǎn)物為綠色環(huán)保無毒的水、氮?dú)夂投趸?，燃燒后無殘?jiān)?，燃燒溫度也較低，但安全性差和成本高，目前來看，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。

4.3 自供氧型

TRW公司提出均質(zhì)氣體發(fā)生劑的概念，即在使用過程中不用添加任何氧化劑。這有效避免了產(chǎn)氣物質(zhì)和氧化劑粒子混合不均帶來的燃燒不穩(wěn)定和某些含有金屬氧化物氣體發(fā)生劑燃燒產(chǎn)生殘?jiān)?。可以最大限度地提高產(chǎn)氣效率，這就是所謂的自供氧型氣體發(fā)生劑。如 3-硝胺基- 4-硝基-呋咱羥胺鹽以及5-氨基四唑二硝酰胺鹽。但是其合成方法、性能等沒有詳細(xì)報(bào)道。

呋咱類、CL-20和自供氧型都是在分子結(jié)構(gòu)中含有氧的有機(jī)富氮類化合物，在作為氣體發(fā)生劑的產(chǎn)氣劑時(shí)，也可以一定程度上供氧，減小配方中氧化劑的比值，在提高氣體發(fā)生劑的產(chǎn)氣量的同時(shí)減少氣體發(fā)生劑燃燒后的殘?jiān)?/p>

不過分子結(jié)構(gòu)中氧原子的引入通常會(huì)導(dǎo)致體系穩(wěn)定性下降，研究分子中含氧且性能穩(wěn)定的有機(jī)富氮化合物作為氣體發(fā)生劑的產(chǎn)氣劑，或者通過在唑類、嗪類、胍類分子中引入氧原子優(yōu)化產(chǎn)氣物質(zhì)性能，無疑是今后的研究熱點(diǎn)之一。

5 結(jié)論

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于氣體發(fā)生劑需求的不斷提升，氣體發(fā)生劑應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，開發(fā)燃燒溫度低、產(chǎn)氣量高、燃速可調(diào)、熱穩(wěn)定性好、機(jī)械感度低、工藝性能好、無毒、氣體產(chǎn)物以氮?dú)鉃橹鞯男滦蜌怏w發(fā)生劑是今后的主要發(fā)展趨勢(shì)。

由于氣體發(fā)生劑應(yīng)用場(chǎng)合較為廣泛，不同使用場(chǎng)合有不同要求，因此，氣體發(fā)生劑的配方和類型也必須多種多樣。當(dāng)前，低溫型氣體發(fā)生劑、綠色環(huán)保型氣體發(fā)生劑、低水蒸氣(無水蒸氣)氣體發(fā)生劑、超大產(chǎn)氣量氣體發(fā)生劑、高燃速和超高燃速氣體發(fā)生劑、低壓力指數(shù)氣體發(fā)生劑等品種都有迫切的現(xiàn)實(shí)需求。針對(duì)不同場(chǎng)合需求發(fā)展特色品種也是氣體發(fā)生劑研究的必由之路。

氣體發(fā)生劑技術(shù)的核心是產(chǎn)氣物質(zhì)。目前可以在市場(chǎng)上直接購(gòu)買的高性能特色產(chǎn)氣材料非常稀少。有些物質(zhì)雖然可以少量買到，但由于還沒有產(chǎn)業(yè)化和批量制造，價(jià)格居高不下，難以真正投入實(shí)際應(yīng)用。因此，新型產(chǎn)氣物質(zhì)的研究、制備、表征、性能測(cè)試、合成放大和工業(yè)化也是必須長(zhǎng)期面對(duì)的課題。

如前所述，目前對(duì)產(chǎn)氣物質(zhì)的研究主要以唑類、嗪類、胍類等富氮材料為主，多種類型富氮環(huán)結(jié)合有可能提高富氮化合物密度、提升其含氮量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。根據(jù)量子化學(xué)原理進(jìn)行系統(tǒng)分子設(shè)計(jì)，構(gòu)造具有共平面效應(yīng)、共軛效應(yīng)，對(duì)稱結(jié)構(gòu)、大π鍵結(jié)構(gòu)、籠式結(jié)構(gòu)等特殊的富氮化合物、低碳高氫化合物、富氮無氫化合物、富氮含氧化合物等特殊產(chǎn)氣物質(zhì)都是氣體發(fā)生劑領(lǐng)域必須開展的重要研究工作。在此基礎(chǔ)上，還必須對(duì)完成實(shí)驗(yàn)室研究，綜合性能優(yōu)良或具備特殊潛質(zhì)的產(chǎn)氣物質(zhì)開展系統(tǒng)的中試放大和工業(yè)化制備研究，力求能夠提供質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)良、成本低廉的產(chǎn)氣新材料，才能步入穩(wěn)定、健康發(fā)展的軌道。

致謝:感謝中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助和北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題基金的資助。

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