超高能含能材料技術發展現狀與趨勢
超高能含能材料是一類含有爆炸性基團或含有氧化劑和可燃物、能獨立進行快速化學反應并輸出能量的化合物或混和物，其能量比常規炸藥（通常為103J/g）至少高一個數量級的新型高能物質，是實現高效毀傷的核心技術。這種材料在激發后，一般不需要外界物質參與，即可使化學反應持續下去，快速釋放出巨大的能量。它是各類武器系統（包括彈道導彈和巡航導彈）必不可少的毀傷和動力能源材料，是炸藥、發射藥和推進劑配方的重要組分。超高能含能材料目前主要分為兩大類：一類基于化學能，能量水平為104J/g-105J/g，如:高能/高釋放率材料（納米鋁、納米硼、納米多孔硅等高活性儲能材料）、全氮物質（氮原子簇）、金屬氫等；另一類基于物理能，能量水平在105J/g以上，如亞穩態核同質異能素、反物質材料等。超高能含能材料參與的化學反應具有高速、高壓、高溫反應特征和瞬間一次性效應的特點，并釋放大量的熱和氣體。
一、國外研究現狀
進入21世紀以來，超高能含能材料因實現能量的驚人突破而受到越來越多國家的高度重視。美俄采取積極舉措大力發展超高能含能材料技術，并在高活性金屬儲能材料、全氮物質、金屬氫和核同質異能素研究上率先取得重大突破。在美俄帶動下，德國、瑞典、印度和日本等國也紛紛啟動相關發展計劃和研究項目，推動超高能含能材料的研究與應用。
高活性金屬儲能材料。美國不僅研究了納米級的鋁、鎂、硅、硼等多種高活性儲能材料(采用云霧爆轟方式，其能量可達5-6倍TNT當量)，還將含納米鋁的溫壓炸藥成功裝備成巨型空爆炸彈——“炸彈之母”，其爆炸威力相當于11噸TNT；美國曾宣布研制的下一個88噸TNT當量(是俄羅斯“炸彈之父”的兩倍)的高威力巨型炸彈將有可能使用能量水平更高的高活性硼燃料。此外，美國陸軍研究人員還利用納米鋁、硼、硼化鋁和氮化硼納米管等高活性納米金屬燃料積極開發先進高能量密度發射藥。俄羅斯先后在火炸藥中應用了氫化鋁、鋁/氬共生物以及高能離子鹽等超高能含能材料，如威力巨大的巨型炸彈——“炸彈之父”，就是采用7.1噸含活性金屬高能材料燃燒劑的液態燃料空氣炸藥，爆炸威力達到6倍TNT當量，是美國“炸彈之母”的4倍，其威懾力不亞于核武器。
全氮材料。美國于1998年成功獲了離子型全氮化合物N5，之后陸續合成出13種含N5的鹽類化合物，得到了性能更穩定的全氮材料，其能量密度可達3-10倍TNT當量；美國陸軍還投入專用資金研究亞穩合金，亞穩合金的能量是RDX等常規炸藥的6倍以上。2009年，美國陸軍啟動了新的聚合氮制備技術開發項目，研究聚合氮的低成本制備方法及大批量制備工藝技術；美國空軍則深層次關注并研究聚合氮/納米鋁的界面作用。俄羅斯成功獲得了以氮原子立方體結構存在的全氮化合物。2009年，俄羅斯科學研究院致力開發以含N4、N8、N6O3等聚合氮為基的推進劑配方。德國聯邦辦公室、國家科學基金均設立了專門的研究項目，重點支持多氮或全氮高能材料的合成和性能研究及核同質異能素探索性研究。印度重點開發新型高能及超高能含能材料，目前在N5離子理論研究及高能含能材料的合成上取得了重大突破。以色列西伯萊大學在聚合氮的安定性研究中，率先發現了氧原子的加入使N4、N6、N8等聚合氮穩定存在的原因。
金屬氫材料。自1935年美國科學家首次提出金屬氫概念以來，美國在金屬氫的能量特性、轉變壓力、穩定性、合成機理和可行性等方面進行了大量理論研究。重點研究了氫的絕緣相和金屬相狀態方程、結構相變、有序-無序相變、絕緣-金屬轉變以及金屬氫的性質。1966年，美國勞倫斯.利弗莫爾國家實驗室成功制得了固態金屬氫。2009年，美國哈佛大學試驗了用液態氫(或水)稀釋的金屬氫作為動力能源開發的登月發射器；還成功開辟了金屬氫制備的新路徑，利用壓-熔點關系曲線使金屬氫制備所需的壓力降到了44GPa左右。
核同質異能素。美國國防部已將超高能含能材料技術列入發展中的科學技術清單和軍用關鍵技術清單，而且把核同質異能素用作高能量密度材料的技術均視為發展中的關鍵技術。美國當前重點研究的關鍵材料技術是鉿-178，可能還包括鋨-187、釔-186、鉭-180和鋅-66等。美國空軍研究實驗室現已獲得鉿-178，其產量為萬分之一克以下，目前正在進行鉿-178伽瑪射線武器（即鉿彈）的研制。與此同時，美國勞倫斯.利弗莫爾國家實驗室完成了核同質異能素用作儲能介質的評價，鉿等核同質異能素的生產和能量釋放控制成為當前研究的重點。
二、超高能含能材料技術的發展趨勢
近些年來，美俄等國紛紛推出高能量密度材料發展計劃，重點關注并研究了超高能新物質，產生一大批科研成果，成為超高能含能材料誕生的重要源泉；同時制定并落實各類先進含能材料研究計劃，積極支持高能量密度材料、超高能含能材料技術的研究與發展。未來一二十年，超高能含能材料技術將呈加速發展的態勢，由于氮原子簇、金屬氫、核同質異能素等超高能含能材料具有非常誘人的能量性能，這些技術的發展和應用將給常規毀傷技術和能力帶來一場新的重大變革。超高能含能材料繼續朝更高能量的方向發展，即由多氮向高氮、氫合金向金屬氫發展；能量水平更高的氮原子簇（全氮材料）；金屬氫及金屬氫武器將面臨新的發展機遇；核同質異能素的應用研究步伐將進一步加快；超細粒度的納米含能材料快速發展。作為一類新型能源物質在國防領域新概念武器中的應用具有廣闊的應用前景。
氮原子簇其高密度、高生成焓、超高能量及爆轟產物清潔無污染，其獨特的理化性能、安全性能和爆炸（爆轟）性能等不同于傳統含能材料。氮原子簇貯存的能量巨大（比常規含能材料要高出幾個數量級），將有可能成為火箭的理想燃料，N5的推進劑的比沖是肼推進劑的2-3倍，一旦研制成功，有望使火箭推進劑和炸藥性能取得驚人的突破。
核同質異能素技術發展是超高能材料領域革命性的創新。作為一種新概念能源物質，除用作含能材料外，其潛在的應用還包括能量貯存（核同質異能素電池）、核同質異能素武器、先進推進系統、伽瑪射線激光器、爆炸裝置及其它脈沖功率源等。
對傳統火炸藥的功能助劑進行綠色化、無毒化改造一直備受重視。固態金屬氫具有能存儲大量能量、單位體積能量很高和對環境零污染的特點，因此，具有重大的軍用價值和廣闊的應用前景，如：用于小體積、遠射程的火箭、導彈和火箭彈中作為一種高能推進劑，每千克固態金屬氫所產生的推力相當于每千克液氫/液氧火箭燃料的5倍；作為一種超高能炸藥，用于大規模殺傷性武器中或用于制造金屬氫武器，金屬氫的爆炸威力相當于相同質量TNT炸藥的25-35倍，是目前威力最強大的化學爆炸物。
含能材料的感度通常隨能量密度的增大而提高，然而，當其粒度降至納米級之后，情況發生了劇烈變化，不僅能量利用率得以大幅提升，而且沖擊波感度、撞擊感度也大幅下降，因此，超細的含能材料在爆炸邏輯網絡、推進劑、激光起爆等諸多領域中都有重要的應用。目前，納米含能材料越來越受到研究人員的關注，納米含能材料的制備和應用研究已成為科學界和工程應用領域最感興趣的課題之一。