Advanced Materials:核壳结构纳米含能材料的制备与特性

含能材料所蕴含的大量化学能可以通过其燃料和氧化剂组分之间氧化还原反应快速释放,因此被广泛应用于采矿、爆破、汽车安全气囊、烟火、弹药和空间技术等领域。炸药是含能材料的一种,在实际应用时,通常需要加入添加剂,如蜡、石墨、聚合物或其他钝感炸药,以提高其成形性、机械强度和安全性能。然而,通过物理混合制备的传统炸药混合物在改善其整体性能方面效率有限。添加剂含量低,则不能达成理想的力学和感度性能;添加剂含量高,又会降低炸药装药的能量密度和爆轰性能。核壳结构的炸药是解决这一问题的有效方法。在炸药上包裹纳米级厚度的不敏感的含能或不含能组分,可以降低因外界刺激引起的意外爆轰的风险;同时,调整壳体材料的组成和厚度,可以精确地控制添加剂的性质和含量,从而达到高能与钝感之间的平衡。

亚稳态分子间复合物(Metastable intermolecular composites, MICs)是另一种含能材料,通常由金属燃料(如铝、镁和硅)和氧化剂(如CuO、MnOx和Co3O4)组成,其中至少一种具有纳米尺度。由于铝热反应超高的反应热,MICs具有很高的能量密度。传统的MICs通过随机混合燃料和氧化剂纳米颗粒得到,导致其燃料和氧化剂之间的不均匀分布和不紧密接触。近年来出现的MICs多层反应性薄膜,通过物理气相沉积的方法在基底上逐层沉积纳米级的燃料和氧化剂得到,是一种均匀且可控的MICs形态。然而由于存在数十个调制周期,多层反应性薄膜的制备比较复杂且耗时。核壳结构是过去十几年发展起来的另一种MICs形态,其中燃料或氧化剂组分完全被另一种组分包覆,被包覆的核通常具有较大的比表面积。核壳结构MICs的燃料与氧化剂之间扩散距离短,反应界面大,因此具有较高的能量释放效率。

由于核壳结构含能材料的诸多优势,过去几十年来涌现出大量与核壳结构含能材料有关的优秀工作。对这些工作进行系统的总结和讨论对于含能材料领域的发展和进步具有重要作用,但目前缺乏与此相关的综述文章。香港城市大学的张开黎教授团队与南京理工大学的沈瑞琪教授、中国工程物理研究院的杨光成研究员合作撰写的核壳结构纳米含能材料的制备与性能的综述文章填补了这一空缺。该文章系统地介绍了核壳结构的炸药和MICs的制备方法,对比了各种制备方法和组成所产生的能量特性/机械性能,揭示了核壳结构含能材料优异性能的原因,指出了当前核壳含能材料发展面临的问题,并提出了一些该领域具有前瞻性的研究方向。该文章将核壳结构炸药的壳比作敏感炸药的“保护衣”,使其对高温、摩擦、撞击、静电、拉伸和压缩等外部刺激具有更强的抵抗力;而将核壳结构MICs的燃料和氧化剂比作匹配良好的“齿轮”,彼此之间具有紧密的接触,使其铝热反应比其他结构的MICs更加快速和彻底,从而提高了能量输出和反应性。在挑战和前景部分,该文章分别指出了核壳结构炸药和MICs在当下制备和分析研究中待解决的问题,并提出了如何利用MICs和炸药各自的优势,开发一类兼具高能量密度、高气体产量和低感度的新型含能材料的研究思路。这一成果近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202001291)上。