中国工程物理研究院张庆华研究团队近年来工作概览

含能材料是武器系统的动力源和毁伤源，是国防科技工业的战略性基础材料，也是武器安全和高威力的重要保证。因此，掌握高性能含能材料的核心技术是发展我国先进武器装备、推动含能材料创新发展的关键。中国工程物理研究院化工材料研究所张庆华团队长期从事新型含能材料的应用基础研究，近五年来团队围绕武器装备对高性能含能材料的应用需求，开展新型含能化合物合成的应用基础研究，自主设计研发了系列新型含能材料，为提升我国先进武器装备的综合性能提供基础支撑。团队近年来的代表性工作如下：

（一）新型单质炸药 

近年来，针对制约先进武器用炸药发展中的毁伤效能、高安全性等基础性问题和科学挑战，课题组成功研制了三种以ICM（Institute of Chemical Materials，化工材料研究所）为代号的新型单质炸药ICM-101、ICM-102和ICM-103，为含能材料冠上了“中国名”，引起了国际同行的广泛关注。

图1.（a）ICM-101晶体堆积及分子相互作用；（b）ICM-101与CL-20性能对比

（1）针对单质炸药毁伤效能不足的问题，以高度对称的联1,3,4-噁二唑为母体，采用引入硝胺致爆基团、分子内和分子间氢键及π-π堆积等提高密度的策略，设计并合成了一种高密度单质炸药二硝胺联噁二唑，即ICM-101。其爆轰性能达到已知最高能炸药CL-20的水平（Nat. Commun., 2017, 8, 181，图1），该工作被国际权威同行评价为“合成高能炸药CL-20替代物研究的突破性进展”，被他人引用127次，并入选Web of Science的“高被引论文”。

图2.（a）基于材料基因组方法的炸药研发思路，（b）ICM-102与TATB的性能对比

（2）针对含能材料能量与安全匹配性差的问题，在大数据统计分析基础上，课题组成员运用计算机辅助分子设计与筛选等手段，快速筛选获得了不敏感高能炸药ICM-102，其能量水平高于低感炸药LLM-105，感度与“木头炸药” TATB相当，实现了炸药能量与安全性的平衡（Nat. Commun., 2018, 9, 2444，图2）。该工作将“材料基因组工程”的研发模式引入到了含能材料领域，得到了国内外同行专家们的广泛关注和高度评价，含能材料领域权威专家Michael Gozin教授评价“张等人利用材料基因方法加速研发不敏感含能材料的研究是设计具有理想爆轰性能含能材料的一种指导性方法”，已被他人引用80次，入选Web of Science“高被引论文”。

图3. 绿色起爆药ICM-103的晶体结构、起爆测试及公斤级生产装置

（3）针对现有民用起爆药高毒性、起爆可靠性差等问题，课题组研发了一种有应用潜力的绿色起爆药ICM-103（Nat. Commun., 2019, 10, 1339，图3），开发了收率高、适于工业化规模生产的“一锅法”氧化三嗪稠环骨架构建技术，合成了6-硝基-7-叠氮基-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-2-氧化物（代号ICM-103）。该起爆药不含重金属，表现出对火焰刺激的特异性感度，且起爆能力高、环境耐性优、热稳定性良好、绿色环保。目前已申请中国发明专利、美国专利和欧洲专利，其工程应用正在进一步推进中。

该团队近年来基于单质炸药合成方向开展了多项工作，如研发了多种不敏感高能炸药（Chem. Eng. J., 2021, 421, 129635; Chem. Commun., 2020, 56, 209; Chem. Commun., 2020, 1493-1496; ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11, 45914; Chem. Commun., 2019, 55, 3497）和层状不敏感含能材料（Engineering, 2020, 6, 1006; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 419; Inorg. Chem., 2019, 58, 12228）、进行了含能材料合成方法学的探索（Org. Lett., 2021, 23, 3, 734）、开发了层状炸药-氧化剂分子自组装技术（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 19248; Chem. Eng. J., 2020, 395, 125114）等。

（二）颠覆性含能材料 

全氮材料被认为是有望突破传统CHON炸药能量瓶颈的一类颠覆性含能材料。通过开展全氮cyclo-N₅^-常温稳定化方法研究，该团队发展了适用于全氮cyclo-N₅^-的金属离子配位稳定化策略，制备了热稳定性良好、含N₆₀纳米笼结构的五唑含能材料MPF-1（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 130, 2622，图4a），打破了以往对于cyclo-N₅^- 必须依靠强氢键作用才能稳定的固有认知。随后，该团队发现了cyclo-N₅^-离子的多重配位能力，制备了一例异质双金属五唑材料[LiNa(N₅)₂(H₂O)₄]•H₂O（Sci. China Mater., 2019, 57, 283，图4b），为设计室温稳定的高能氮簇材料提供了新思路。课题组还基于之前开发的主客体自组装技术合成了一种过氧化氢-五唑铵复合物NH₄N₅∙½H₂O₂（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 12334，图4c），双氧水的引入使五唑铵比冲大幅提升，有望用作绿色高能固体推进剂。此外，近期课题组成员还探索了cyclo-N₅^- 的芳香性及其在构建结构新颖的金属配合物方面的潜力等方向，相关论文研究成果包括：Crys. Grow. Des., 2021, 21, 33; Inorg. Chem., 2021, DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00627; Dalton Trans., 2020, 49, 17542; Sci. China Mater., 2019, 62, 1403等。

图4. 基于全氮cyclo-N₅^-的代表性工作：（a）具有沸石结构的五唑钠盐MPF-1，（b）第一例异质双金属五唑材料[LiNa(N₅)₂(H₂O)₄]•H₂O，（c）五唑主客体含能材料NH₄N₅∙½H₂O₂

（三）绿色高能推进剂 

围绕航天动力系统对推进剂技术高能化、绿色化的国防需求开展了创新研究，团队开展了自燃型离子液体推进剂设计和合成研究，获得了上百种新型自燃离子液体推进剂，占国际上同类报道总数的30%以上，这些材料具有绿色环保、高能量密度、超快点火延迟等特点。

图5. 课题组在自燃离子液体推进剂方向的代表性工作

课题组自主研发了一类合成简单、绿色无毒、原料易得的氰基硼烷离子液体（Chem. Commun., 2016, 52, 2031），其点火延迟时间为4毫秒，优于偏二甲肼（4.8毫秒），该工作被英国皇家化学会Chemistry World网站以“绿色火箭燃料打破记录（Green Rocket Fuels Break Records）”为题作为研究亮点评述（图5）。近年来，课题组成员致力于可与绿色氧化剂双氧水自点火的离子液体的相关研究，如研制了一种可实现离子液体和双氧水低温自点火的催化剂（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 14661），合成了一类热稳定性优异的基于有机超强碱骨架的自燃离子液体（Combust. Flame, 2021, minor revision），研究了自燃离子液体中阳离子对点火延迟及热稳定性的影响等（J. Mol. Liq., 2021, DOI: 10.1016/j.molliq.2021.116572），为发展绿色航天动力系统提供了材料及理论基础支撑。此外，团队近年来基于绿色离子液体推进剂还开展了多项研究工作，取得了大量创新性成果：J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 20664; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 8978; J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 22819; Chem. Eur. J., 2016, 22, 10187; Chem. Eur. J., 2017, 23, 12502; Chem. Eur. J., 2018, 24, 10201; Chem. Eur. J., 2018, 24, 4620; Chem. Asian J., 2015, 10, 2725; Chem. Asian J., 2016, 11, 3528; J. Phys. Chem. A, 2020, 124, 15, 2942等，受邀在Chemical Reviews上所发表的综述文章已被引用308次，入选ESI高被引论文。

含能分子创制团队简介

含能分子创制团队成立于2015年，隶属中国工程物理研究院化工材料研究所，是我国从事含能材料研究最重要的科研单位之一。团队负责人张庆华研究员主持承担了包括装备发展部、国防科工局、自然科学基金委等国家/省部级项目十多项，现担任中国化学会第三十届理事会理事、四川省科青联常务理事、《Energetic Materials Frontiers》副主编、《含能材料》副主编、南京理工大学客座教授等。团队现有成员24人，含研究员1人、副研究员4人（优青1人）、博士后和研究生14人，主要研究方向为新型含能分子的设计合成。团队秉承全面发展的人才培养策略，学术氛围浓厚，经费充足，在含能材料领域学术底蕴深厚，人才培养经验丰富。

团队每年招收博士后、硕/博研究生、联合培养研究生多名，待遇丰厚，包括但不限于化学、材料学、计算化学、高压化学、兵器科学等相关研究方向，欢迎新成员咨询加入（qinghuazhang@caep.cn）。另2021年中物院暑期夏令营招生活动已启动（说明：上面这句“2021年中物院暑期夏令营招生活动已启动”），优秀学子可申请“国防科工推免补偿计划”，欢迎广大优秀学子积极参加，了解化工材料研究所含能分子创制团队。