曾貴玉，齊秀芳，劉曉波

（1. 中國工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽 621999；2. 西南科技大學(xué) 國防科技學(xué)院，四川 綿陽 621000）

1 前言

“顛覆性技術(shù)（Disruptive Technology）”概念最早出現(xiàn)在美國哈佛大學(xué)商學(xué)院Christensen 教授1995 年出版的《Disruptive technologies：catching the next wave》一書中［1］，也稱為顛覆性創(chuàng)新、革命性技術(shù)等，目前還無權(quán)威的統(tǒng)一定義。一般認(rèn)為，顛覆性技術(shù)是指對現(xiàn)有技術(shù)體系、應(yīng)用系統(tǒng)或行業(yè)格局產(chǎn)生顛覆性效果的一種技術(shù)，主要體現(xiàn)在功能或性能上有重大突破，強(qiáng)調(diào)技術(shù)應(yīng)用所帶來的"顛覆性效果"而不是技術(shù)本身。從屬性上講，顛覆性技術(shù)既可以是基于新概念、新原理的原始性技術(shù)，也可以是多項(xiàng)技術(shù)跨領(lǐng)域、跨學(xué)科交叉融合而產(chǎn)生的創(chuàng)新性技術(shù)［2-6］。

顛覆性技術(shù)對科技發(fā)展及產(chǎn)業(yè)變革的推動(dòng)作用十分明顯，工業(yè)革命多以顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)和成熟使用為標(biāo)志［7］。美英俄等強(qiáng)國十分重視顛覆性技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，將顛覆性技術(shù)作為占領(lǐng)經(jīng)濟(jì)、科技特別是國防軍事制高點(diǎn)的重要抓手和主要途徑［8-9］。美國國防部先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）是全球最早的顛覆性技術(shù)規(guī)劃和研究機(jī)構(gòu)，被稱為美軍甚至全美的技術(shù)創(chuàng)新引擎，它將國防和軍事領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)描述為“抵消美國在關(guān)鍵作戰(zhàn)領(lǐng)域優(yōu)勢的突破性技術(shù)”［10-11］。DARPA早期曾提出獲得了互聯(lián)網(wǎng)、隱身、GPS 等多項(xiàng)顛覆性技術(shù)，極大促進(jìn)了美國國防能力的發(fā)展和提升。近幾年，DARPA 又持續(xù)發(fā)布和啟動(dòng)了多項(xiàng)創(chuàng)新項(xiàng)目，武器領(lǐng)域主要聚焦于高動(dòng)能（助推滑翔、高超聲速、先進(jìn)全速域發(fā)動(dòng)機(jī)）、高聚能（激光、太赫茲）、高智能（量子、認(rèn)知、人機(jī)互動(dòng)、智能制造）等方向［12-13］，目的在于催生能“改變游戲規(guī)則”的新型武器裝備。

作為國防領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分，含能材料是各類武器裝備的關(guān)鍵毀傷和能源材料，顛覆性技術(shù)在含能材料領(lǐng)域的應(yīng)用有望顯著提升現(xiàn)有含能材料及武器裝備的應(yīng)用效能，或者催生新概念武器裝備，進(jìn)而形成新的作戰(zhàn)能力和方式，因此顛覆性技術(shù)在含能材料的發(fā)展進(jìn)程中必將發(fā)揮重要推動(dòng)作用，跟蹤含能材料領(lǐng)域的相關(guān)顛覆性技術(shù)動(dòng)態(tài)，對我國開展相關(guān)研究具有重要參考意義。

2 含能材料領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)

對含能材料來說，高能量、高安全、高可靠應(yīng)用是其追求和發(fā)展的幾大主題，傳統(tǒng)含能材料及其研發(fā)技術(shù)在同時(shí)滿足上述幾個(gè)要求上已受到極大制約。結(jié)合國內(nèi)外含能材料發(fā)展現(xiàn)狀和顛覆性技術(shù)發(fā)展方向，含能材料領(lǐng)域目前需要重點(diǎn)關(guān)注4 類顛覆性技術(shù)：超高能化技術(shù)、納米技術(shù)、增材制造技術(shù)和材料基因組技術(shù)。

2.1 超高能化技術(shù)

CHON（F）類常規(guī)含能材料的能量是基于元素間形成的化學(xué)能，能量水平通常在103J·g-1級別。研究表明［14-15］，以—NO2為致爆基團(tuán)的CHON 類炸藥的最大理論密度在2.2 g·cm-3左右、爆炸能量極限只比環(huán)四亞甲基四硝胺（HMX）高30%左右；20 世紀(jì)末期出現(xiàn)的六硝基六氮雜異伍茲烷（CL?20）理論密度已經(jīng)達(dá)到2.03 g·cm-3、爆速達(dá)到9.4 km·s-1?？梢钥闯?，CHON（F）類含能材料的能量已接近理論極限，再提升潛力較小。超高能化技術(shù)是大幅度提高含能材料能量、獲得超高能量密度材料（UHEDM）的一個(gè)可行方法，UHEDM的能量密度比常規(guī)含能材料至少高一個(gè)數(shù)量級，也被稱為顛覆性含能材料［16-18］。由于其極高的能量，UHEDM 不僅可促進(jìn)武器的高效化和小型化，還可能改變武器毀傷方式、推動(dòng)武器系統(tǒng)發(fā)生顛覆性變革。

獲得UHEDM 的超高能化技術(shù)主要有兩類：一類基于化學(xué)能，另一類基于物理能。基于化學(xué)能的UHEDM 典型代表是金屬氫、全氮化合物和高張力鍵能釋放材料等，其能量水平一般處于（104～105）J·g-1，其中金屬氫和全氮化合物在當(dāng)前受到了極大關(guān)注［18-20］；基于物理能的UHEDM 主要是亞穩(wěn)態(tài)核同質(zhì)異能素、反物質(zhì)材料等，其能量水平可達(dá)105J·g-1以上［19］。

金屬氫可存儲(chǔ)巨大能量且對環(huán)境無污染，是迄今所知化學(xué)能最高的爆炸物，其理論能量密度可達(dá)216 kJ·g-1，是TNT（4.5 kJ·g-1）的40 倍以上、氫氧燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能量（10 kJ·g-1）的20 倍以上，理論比沖Isp可達(dá)1700 s［21-22］，極可能成為強(qiáng)勁的超高能量物質(zhì)和火箭推進(jìn)劑。金屬氫同時(shí)也是一種超導(dǎo)材料，在航空和國防等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。美國在金屬氫方面開展了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究，2017 年起，哈佛大學(xué)Silve?ra 團(tuán)隊(duì)［23-24］稱其在495 GPa 的高壓和5.5 K 的超低溫條件下獲得了固態(tài)金屬氫，如圖1 所示。

2019 年，Loubeyre 等［25］采用一種類似“甜甜圈”環(huán)形構(gòu)造的鉆石壓砧技術(shù)，可將實(shí)驗(yàn)壓力升至600 GPa，并在壓力425 GPa、溫度80 K 下觀測到氫樣品吸收了所有的紅外輻射，表明在此條件下氫電子發(fā)生了“帶隙閉合”及一級相變，成為金屬氫。Xia Y 等［26］利用碳納米管的高機(jī)械強(qiáng)度特性，在相對低的壓力（163.5 GPa）下制備了準(zhǔn)一維的“金屬氫”，并發(fā)展出相應(yīng)的理論模型。這些研究成果標(biāo)志著金屬氫的制備不斷取得突破，制備方法多樣化、所需壓力條件也在不斷降低。但金屬氫的制備和應(yīng)用條件苛刻，離實(shí)際應(yīng)用還遠(yuǎn)，有很多技術(shù)和工程難題需要突破，未來研究需要重點(diǎn)解決金屬氫的便宜及規(guī)模制備和工程應(yīng)用問題。

圖1 不同壓力下形成的氫［24］Fig.1 Photographs of hydrogen with increasing pressure［24］

理論計(jì)算表明，隨著含能分子中氮含量的增加，分子密度和能量也有所提高，因此對高氮化合物的理論模擬與合成研究成為獲取UHEDM 的一個(gè)努力方向［27-29］。俄、美、德等國對高氮化合物的研究十分活躍，已合成出眾多具有潛在應(yīng)用的化合物，如Klapotke團(tuán)隊(duì)［30］開發(fā)出了5，5'?聯(lián)四唑?1，1'?二氧化物二羥銨（TKX?50），計(jì)算爆速達(dá)到9.7 km·s-1，感度（撞擊感度20 J）低于HMX；張慶華團(tuán)隊(duì)［31］合成出二硝胺聯(lián)噁二唑（ICM?101），計(jì)算爆速達(dá)到9.4 km·s-1以上，能量水平和機(jī)械感度與CL?20相當(dāng)，無轉(zhuǎn)晶現(xiàn)象且合成成本較低，有望替代CL?20；張嘉恒團(tuán)隊(duì)［32］發(fā)現(xiàn)：1，2，9，10?四硝基二并吡唑［1，5?d：5'，1'?f］［1，2，3，4］四嗪（TNDPT）的爆速和爆壓分別達(dá)到9.6 km·s-1和44.0 GPa，能量與CL?20 相當(dāng)，但機(jī)械感度顯著低于CL?20，具有明顯的應(yīng)用潛力。上述高氮化合物雖然具有較好的應(yīng)用潛能，但能量基本上和CL?20 相當(dāng)，還達(dá)不到UHEDM 的能量水平。

全部由氮原子組成的全氮化合物為UHEDM 的實(shí)現(xiàn)帶來了希望，其研究也已取得很大進(jìn)展［33］。1999 年美 國Christe 等［34］合 成 出N5＋陽 離 子 型 全 氮 化 合 物，N5＋的理論能量密度在21 kJ·g-1左右。2017 年我國陸明團(tuán)隊(duì)［35］合成出環(huán)狀N5-陰離子銨鹽和五唑系列含能金屬鹽，N5－釋放的化學(xué)能可達(dá)46 kJ·g-1，高于N5＋和N3-（24.9 kJ·g-1）；并陸續(xù)合成出一系列五唑金屬鹽類化合物［36］。但要注意的是：含水的N5-離子及五唑金屬鹽能量水平并不高，且重金屬的五唑鹽因機(jī)械感度極高或成本過大，限制了其應(yīng)用［37］。若能將全氮陰離子與全氮陽離子進(jìn)行有效組裝，則可能得到全新的UHEDM。國內(nèi)外對N4、N6、N8等共價(jià)型全氮化合物也開展了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究，黃輝等［38］研究表明：共價(jià)氮具有高的能量，如N4的生成焓為798 kJ·mol-1、爆速為15.7 km·s-1、爆壓125 GPa，其加速金屬的能力是HMX 的3 倍。俄羅斯在氮原子簇聚合氮方面做了大量工作［39-42］，采用金剛石壓砧技術(shù)得到了立方聚合烷（Cubic gauche polymeric Nitrogen，Cg?N）等固體聚合氮，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。Cg?N，堅(jiān)硬的固體，密度可達(dá)3.9 g·cm-3，生成焓達(dá)到20.8 MJ·mol-1。

圖2 聚合烷（Cg?N）的結(jié)構(gòu)示意圖［39］Fig.2 The structure of Cubic gauche polymeric Nitrogen（Cg?N）［39］

雖然全氮類UHEDM 的能量高且爆轟產(chǎn)物對環(huán)境無污染，其深入研究也將帶動(dòng)新型含能材料制備、表征及應(yīng)用等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，并將推動(dòng)超高能含能材料的進(jìn)步。但全氮化合物不同于傳統(tǒng)含能材料的理化性能、安全性能和爆轟性能也給合成、表征和應(yīng)用帶來極大了挑戰(zhàn)。未來的一個(gè)主要發(fā)展方向是設(shè)計(jì)和合成出更穩(wěn)定的全氮化合物，這是其貯存和應(yīng)用的前提。分子能壘是化合物穩(wěn)定的一個(gè)重要參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮選用能壘足夠高的全氮分子；合成方法上可借鑒其它不穩(wěn)定化合物的方法，如采用不影響性能的分子離子等進(jìn)行配位或修飾、以碳納米管或其它類似納米阱結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行捕獲穩(wěn)定，從而提高全氮化合物的穩(wěn)定性。

2.2 納米技術(shù)

納米材料是指三維尺度中至少有一維處于納米尺寸（1～100 nm）的材料，或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。有的學(xué)者將尺寸在數(shù)百納米范圍內(nèi)的材料也統(tǒng)稱為納米材料。研究表明，含能材料的安全性、熱穩(wěn)定性、輸出能量、臨界直徑和短脈沖起爆等性能均與材料粒度密切相關(guān)［43-45］，隨著粒度減小特別是到納米級后，其撞擊、摩擦、沖擊波等長脈沖感度顯著降低［46-48］，安全性增加；能量利用率大幅提升，輸出能量增大［49］；分解活化能和熱分解溫度下降［50-51］，熱分解活性提高；短脈沖起爆感度增加［52-53］，起爆可靠性增強(qiáng)。因此，通過含能材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和納米技術(shù)應(yīng)用，可顯著提升材料性能并促進(jìn)武器的發(fā)展。微納米含能材料在沖擊片雷管始發(fā)裝藥、邏輯網(wǎng)絡(luò)炸藥、傳爆藥、主炸藥及推進(jìn)劑等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用前景，納米技術(shù)已在含能材料領(lǐng)域得到高度重視和廣泛應(yīng)用，成為含能材料領(lǐng)域最富活力和關(guān)注的研究方向之一。

納米尺度鋁、鎂、硼、氫化物等高活性金屬的應(yīng)用是利用納米技術(shù)提升含能材料性能的一個(gè)重要途徑。納米鋁粉具有表面活性大、爆熱高、點(diǎn)火能量較低、價(jià)格較低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為高威力彈藥的重要和首選材料。數(shù)據(jù)表明［54-57］，納米鋁粉可顯著提高含鋁炸藥的綜合爆轟性能，在TNT 等較低爆速炸藥體系中，納米鋁粉基炸藥配方的爆速、爆壓、爆熱均高于相同用量的微米鋁粉基配方，納米鋁粉的應(yīng)用也使高爆速炸藥體系的綜合爆轟性能得以提高。鋁粉顆粒越細(xì)，其在爆轟反應(yīng)區(qū)參加反應(yīng)的程度越高、能量釋放越快，納米鋁粉基復(fù)合炸藥表現(xiàn)出更短的反應(yīng)時(shí)間和更高的爆轟反應(yīng)程度，因而爆轟性能及作功能力較含相同比例的微米級鋁粉復(fù)合炸藥明顯提高［58］。鋁粉粒徑對復(fù)合炸藥爆速［54］和炸藥加速0.54 mm 銅板自由面速度［58］的影響見圖3。

圖3 鋁粉粒徑對爆速（左）［54］和炸藥加速0.54 mm 銅板自由面速度（右）［58］的影響Fig.3 Effects of aluminium powder size on detonation velocity（Left）［54］and explosives accelerating 0.54 mm copperplate freef?ace velocity（Right）［58］

美俄等研究了多種高活性納米金屬的制備和性能，并將其用于武器彈藥。2003 年美國研制了含納米鋁粉的GBU?43/B 大型空爆炸彈?“炸彈之母”，爆炸威力達(dá)到11 噸TNT 當(dāng)量。俄羅斯在炸藥配方中使用了能量更高的氫化鋁高活性納米金屬，制造出了威力更大的巨型炸彈——“炸彈之父”，爆炸威力達(dá)到44 噸TNT 當(dāng)量［59］。納米金屬及合金的應(yīng)用前提是要保持高活性并與含能組分相容，采用有機(jī)物對納米金屬顆粒進(jìn)行表面包覆處理是一條有效途徑，能有效發(fā)揮納米顆粒的優(yōu)勢［60-61］。近年來研究者［62］也在關(guān)注納米金屬羥化物及在含能材料中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)羥化鋁基納米含能材料的能量理論上可達(dá)50 kJ·cm-3，且大多數(shù)羥化鋁基配方具有更大的放氣量（2 L·g-1以上）和高的絕熱燃燒溫度（達(dá)3000 K），因此在炸藥、固體推進(jìn)劑、安全氣囊等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。

微納米材料技術(shù)是促進(jìn)炸藥、推進(jìn)劑等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的重要基礎(chǔ)與支撐，其在含能材料領(lǐng)域的應(yīng)用將顯著提升傳統(tǒng)含能材料的綜合性能，應(yīng)用前景廣闊。但含能材料的性能受到組分狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的顯著影響，相容性良好及組分均勻接觸的納米含能體系才能發(fā)揮出更優(yōu)的綜合性能。另外，目前納米含能材料的制備規(guī)模過小，限制了其應(yīng)用范圍。未來研究應(yīng)重點(diǎn)是解決好納米材料的活性保護(hù)、復(fù)合含能體系的均勻性和大批量、低成本納米含能材料的規(guī)模制備等問題。

2.3 增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)（Additional Manufacturing，AM）由快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping，RP）發(fā)展而來，后俗稱3D 打印技術(shù)，該技術(shù)可用于制造任意形狀的零部件，特別適用于傳統(tǒng)工藝難以或無法成型的特殊、復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造［63］，近年來又發(fā)展出融合了智能材料元素的4D 打印技術(shù)［64］，增材制造過程及4D 打印模型如圖4 所示。

圖4 增材制造過程（左）［63］及4D 打印模型（右）［64］Fig.4 The additional manufacturing process（Left）［63］and 4D printing model（Right）［64］

武器裝備精密控制與精確打擊的發(fā)展趨勢必然促使武器推進(jìn)系統(tǒng)及毀傷單元向多樣化、異形化和靈巧化方向發(fā)展，導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)與戰(zhàn)斗部需破解多層裝藥、復(fù)雜形狀裝藥、高精度裝藥、微尺度裝藥等問題，增材制造技術(shù)為多層、異形、微裝藥的制造提供了一條全新的途徑，在高精度和特定結(jié)構(gòu)爆炸網(wǎng)絡(luò)、火工品、整體裝藥、推進(jìn)劑及活性材料戰(zhàn)斗部等含能部件制造上具有極大應(yīng)用前景，因此受到含能材料及彈藥研究者的關(guān)注，目前已在鋁熱劑、煙火材料、傳爆網(wǎng)絡(luò)等方向開展了大量研究［65-73］，取得了較大進(jìn)展。Staymates 等［74］采用按需壓電噴墨打印技術(shù)，將炸藥溶液以微小流滴狀噴射到熱的干燥管中，溶液揮發(fā)后留下組成和尺寸受控的細(xì)小顆粒，制備的RDX 顆粒直徑為10～30 μm、硝酸銨顆粒為40 μm。McClain 等［75］開發(fā)出一種AM直寫系統(tǒng)，能夠?qū)⒕哂懈呋旌险扯鹊暮軡{料打印成低空隙的推進(jìn)劑，所打印的AP 復(fù)合推進(jìn)劑的固體加載量可達(dá)85%。張洪林等［76］采用3D 打印技術(shù)制備了具有多列環(huán)形空槽管形結(jié)構(gòu)的整體發(fā)射藥，與19 孔粒狀發(fā)射藥相比，該整體發(fā)射藥燃燒結(jié)束時(shí)的相對燃面增大3.1 倍，燃?xì)馍闪刻岣?7.6%。肖磊等［77］將3D 打印技術(shù)應(yīng)用到熔鑄炸藥的成型中，成功制備出含有納米HMX 和TNT 的熔鑄炸藥藥柱。與傳統(tǒng)澆鑄成型工藝相比，采用3D 技術(shù)打印出的藥柱密度提高2.0%、抗壓強(qiáng)度提高273%、爆速提高2.1%，綜合性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)澆鑄成型的藥柱。Zhang L 等［78］設(shè)計(jì)了一種CL?20 基炸藥墨水，并采用微噴射直寫技術(shù)制備了光滑的炸藥薄膜，其臨界直徑達(dá)到0.153 mm，平均爆速為8.09 km·s-1。Wang D 等［79］設(shè)計(jì)了一種CL?20/HTPB 基墨水，并進(jìn)行3D 打印，測試表明3D 打印出的炸藥材料具有高的燃燒性能。Xu C 等［80］采用噴墨打印技術(shù)制備了高密度的含能復(fù)合物，復(fù)合物的密度均超過90%TMD，DNTF/RDX/EC/GAP（54/36/5/5）體系的密度甚至達(dá)到96.88%TMD，復(fù)合物中的顆粒為球形、大小在500 nm～2 μm 之間，直接沉積在楔形孔道中的含能復(fù)合材料在1×0.32 mm 以上的尺寸范圍內(nèi)均具有良好的穩(wěn)定爆轟能力。黃瑨等［81］設(shè)計(jì)了3 種由高能量的CL?20 炸藥和高安全性的TATB 炸藥組成的新型復(fù)合多層裝藥結(jié)構(gòu)，并采用3D 打印技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)（圖5），其軸向/徑向復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)的特性落高（H50）較CL?20 裝藥提高了4 倍。采用3D 打印技術(shù)制備復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，為高能、高安全裝藥設(shè)計(jì)和精密成型提供了全新的思路和技術(shù)途徑。

圖5 三種CL?20/TATB 新型復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖［81］Fig.5 Sketch pictures of CL?20/TATB three new structures and objective pictures［81］

上述研究成果反映了增材制造技術(shù)在含能材料領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Γ摷夹g(shù)還處于探索實(shí)踐階段，尚未得到規(guī)模制備和應(yīng)用［82］。今后需綜合考慮制造過程中的物料特殊性、工藝適用性與過程安全性等問題，針對含能材料體系的特點(diǎn)，搭建適宜的含能材料增材制造系統(tǒng)、研究炸藥體系及成型工藝參數(shù)，最終形成適于含能材料產(chǎn)品增材制造的設(shè)備、配方與工藝。

2.4 材料基因組技術(shù)

含能材料需同時(shí)滿足能量、安全性、起爆傳爆可靠性、熱穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性等多方面的性能要求，只有綜合性能良好的含能材料才能在武器系統(tǒng)中得到應(yīng)用。但含能材料的各性能間往往難于兼顧，采用傳統(tǒng)技術(shù)途徑來設(shè)計(jì)和合成綜合性能好的含能材料耗時(shí)長、效率低，材料基因組技術(shù)為新材料研發(fā)提供了新的技術(shù)途徑。材料基因組技術(shù)來源于材料基因組計(jì)劃（Materials Genome Initiative，MGI），該計(jì)劃是美國在2011 年6 月宣布實(shí)施的，它提出了材料研發(fā)的嶄新模式，其三個(gè)核心要素是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、高通量計(jì)算及高通量實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)庫、材料計(jì)算和材料實(shí)驗(yàn)之間的技術(shù)融合與協(xié)同，將材料計(jì)算工程擴(kuò)展到整個(gè)材料科學(xué)、技術(shù)與工程鏈條，貫穿于新材料從開發(fā)到應(yīng)用的全過程（圖6），從而全面提升材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的速度、降低新材料開發(fā)成本［83-85］。MGI 的終極目標(biāo)是：在材料數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過理論模擬和計(jì)算完成材料的“按需設(shè)計(jì)”并實(shí)現(xiàn)全程智能化制造，這為發(fā)展新型關(guān)鍵材料及其高端制造奠定了創(chuàng)新基礎(chǔ)。

圖6 材料計(jì)劃概述（左）［84］及三要素間協(xié)同工作流程（右）［85］Fig.6 Overview of materials project（left）［84］and the workflow of its three elements collaboration（right）［85］

將MGI 方法引入含能材料領(lǐng)域，實(shí)施含能材料基因組計(jì)劃（EMGI），通過含能材料特征“基因”的識別，可快速進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和篩選，再將具有所需性能的目標(biāo)分子進(jìn)行高通量實(shí)驗(yàn)，必將加速新型含能分子的開發(fā)進(jìn)程。潘富斌等［86］對含能材料基因組數(shù)據(jù)庫的技術(shù)架構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，建立了含能材料數(shù)據(jù)庫的功能模塊，可用于查詢含能材料結(jié)構(gòu)、性能等基礎(chǔ)信息。張朝陽［87］提出了EMGI 的階段目標(biāo)和具體措施，并指出EMGI 平臺應(yīng)由四個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)庫、設(shè)計(jì)與計(jì)算、制備與表征和服役與失效評估，在MGI 三要素基礎(chǔ)上增加了應(yīng)用方面的要素。Tsys?hevsky 等［88］采用類似基因組策略的組合方法，設(shè)計(jì)了幾種含能分子，預(yù)計(jì)其綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有含能材料，實(shí)現(xiàn)了高能量密度材料的高效設(shè)計(jì)。王毅等［89］采用材料基因組方法設(shè)計(jì)和合成了一種新的IHE：2，4，6-三氨基?5?硝基嘧啶?1，3?二氧化物（ICM?102），該分子具有石墨的層狀晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)際密度達(dá)到1.95 g·cm-3，熱分解溫度284 ℃，計(jì)算爆速接近9.2 m·s-1，撞擊感度（>60 J）、摩擦感度（>360 N）和靜電水花感度接近TATB（圖7）。

圖7 有機(jī)炸藥的可能材料基因方法圖解（與有機(jī)體對照）和關(guān)鍵基因特征識別（晶體密度與氧平衡的關(guān)系）［89］Fig.7 Illustration of possible materials genomes approach of organic explosives（Comparion with that of organism）and identifi?cation of key gene feature（the relation between crystal density and oxygen balance）［89］

EMGI 方法在含能材料領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于探索階段，成功應(yīng)用的例子還不多，目前仍在進(jìn)行含能材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的積累和計(jì)算模型的建立與完善，這方面的難度很大，特別是特征基因的識別及其與性能的關(guān)聯(lián)性難于界定。但作為一種先進(jìn)材料的高效設(shè)計(jì)和開發(fā)工具，一旦建立起含能材料的基因組方法并獲得應(yīng)用，將大大改變含能材料的研發(fā)思路、顛覆含能材料的現(xiàn)有開發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)新型高性能含能材料的快速研發(fā)和應(yīng)用。未來研究將主要聚焦在進(jìn)一步豐富含能材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、識別含能材料特征基因、界定特征基因與性能間的關(guān)聯(lián)程度和發(fā)展更適宜的計(jì)算模型等方面。

3 結(jié)束語

（1）含能材料將繼續(xù)朝著更高能量、更低感度、更優(yōu)應(yīng)用性能和更快研發(fā)速度的方向發(fā)展，CHON 類常規(guī)含能材料的能量潛力已經(jīng)很小，其能量及綜合性能難有大幅度提升，需開發(fā)或采用新的技術(shù)手段；

（2）顛覆性技術(shù)的迅猛發(fā)展為含能材料的技術(shù)創(chuàng)新提供了良好途徑和機(jī)遇，顛覆性技術(shù)在含能材料領(lǐng)域的應(yīng)用有助于推動(dòng)含能材料的加速發(fā)展、提高現(xiàn)有含能材料的綜合性能，并在某些方向上取得了進(jìn)展，超高能化技術(shù)、納米技術(shù)、增材制造技術(shù)及材料基因組技術(shù)均展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景；

（3）含能材料領(lǐng)域幾類顛覆性技術(shù)的未來發(fā)展趨勢在于：①超高能化技術(shù)，重點(diǎn)解決金屬氫的便宜及規(guī)模制備問題、全氮化合物的合成穩(wěn)定問題等；②納米技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注納米高活性金屬與合金的活性保持、納米復(fù)合體系的均勻性及低成本納米含能材料的工程化制備等；③增材制造技術(shù)，著重研究適宜的含能材料增材制造設(shè)備、配方及成型工藝；④材料基因組技術(shù)，主要聚焦于豐富含能材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、識別含能材料特征基因及三要素的融合協(xié)同。