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《中国原创突破！TYX系列含能材料成功攻克“不可能三角”，实现高能、低感、耐热协同提升》

  • 来源专题：绿色化工
  • 编译者： 武春亮
  • 发布时间：2025-11-03
  • 在含能材料领域，实现高能量密度、低感度与高耐热性的协同优化，是困扰国际学术界与工程界多年来的重大科学难题，被视为制约新一代高性能炸药与推进剂发展的“不可能三角”。传统材料体系往往难以兼顾三者，致使性能提升陷入瓶颈。而今，这一僵局被中国科研团队凭借原创的“高氮骨架”设计理念成功打破。由西安近代化学研究所牵头，联合南京理工大学、西北工业大学及甘肃银光集团组成的跨机构研发团队，历时三年系统攻关，首次在单一分子骨架上实现了能量密度、安全性与热稳定性的协同突破，研制出具有完全自主知识产权的新型TYX系列含能材料。该系列材料不仅具备优异能量释放特性，更在感度与耐热性方面表现卓越，为推进剂与炸药系统的性能跃升提供了全新材料平台。相关研究成果已连续发表于国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》和《Defence Technology》，标志着我国在高性能含能材料领域取得关键突破，为全球含能材料发展注入新动力。 “三角困境”的根源：能量、安全与热稳定为何难以兼得？ 含能材料广泛用于深井采矿、宇航工程等军民领域。一般来说，能量越高的材料，对外界刺激（如撞击、摩擦）就越敏感，安全风险大；而若要提高其稳定性与耐热性，则往往需牺牲部分能量。这种“能量-感度-热稳定”之间难以调和的矛盾，成为国际学界公认的重大挑战，也被称为含能材料领域的“圣杯难题”。 图1.  含能材料性能三角困境 中国方案：高氮骨架“智能设计”打破性能壁垒 研究团队跳出传统思维，不再依赖经典的离子型结构，转而设计出一类全新的“平面双内盐”骨架。该骨架以高氮含量为核心特点，巧妙利用氮原子自身的高生成焓和多气体产物特性，为能量释放奠定基础；同时借助富氮体系所带来的丰富氢键和π–π堆积效应，极大增强材料的本征稳定性。 更令人称道的是，该团队同步开发出仅需2–3步的高效合成工艺，成功实现TYX系列含能材料的规模化制备，且全程规避高敏感中间体，为未来工程转化打下坚实基础。 图2.  TYX-1、TYX-2和TYX-3的合成路线 三类TYX材料，各具绝技 TYX-1：超耐热钝感材料 热分解温度高达473℃，机械感度与目前最安全的TATB炸药相当，理论爆速不低于经典高能炸药RDX，特别适用于超高温环境下的爆破和推进任务。 TYX-2：高能且安全 理论爆速可达9.9 km/s，与目前能量最高的CL-20相当，但撞击和摩擦感度显著低于CL-20，解决了“高能量必高敏感”的传统困境。 TYX-3：均衡型选手 在保持良好热稳定性（365℃）和低感度的前提下，理论爆速与HMX相当，是目前综合性能最优的耐热钝感含能材料之一。 图3.  TYX系列含能材料结构及性能 理论计算揭示反应机制，微观结构支撑宏观性能 通过单晶解析与理论计算，团队进一步揭示其性能突破的微观机制：平面共轭结构促进电荷离域，高频氢键网络增强内聚力，多重分子间作用形成能量“缓冲带”，共同造就其“高能且温和”的独特性质。 图4.  TYX-1环化反应机理 应用前景：推进剂与发射药迎性能升级 在多项固体推进剂与发射药配方的仿真评估中，TYX系列含能材料展现出显著的系统增效潜力： 在固体推进剂与发射药配方的理论计算与仿真评估中，TYX系列含能材料展现出显著提升武器系统综合效能的潜力。例如，在PNMMO基固体推进剂（表1）中引入TYX系列含能材料，可为配方体系带来多方面的性能提升：其比冲相较于AP基推进剂最高提升35.6 s。 表1 低特征信号PNMMO推进剂的能量特性参数 注：a燃烧温度，b特征速度，c比冲（NASA-CEA软件计算） 在典型三基发射药体系中（表2）引入TYX-2，火药力较RDX/HMX体系提升约30 J·g-1，燃烧产物中氮气含量达31.1%，爆温降低超过150 K，显著抑制烧蚀、提升热安全性并延长使用寿命 表2 典型三基发射药配方及其能量参数计算值 注：a火药力，b爆温，c燃烧产物中的氮气占比 结语：中国方案，开启含能材料新纪元 TYX系列含能材料的成功研制，标志着我国在高性能含能材料领域取得重大原创突破，犹如一把精准的钥匙，解开了困扰国际含能领域近百年的“不可能三角”之锁—首次在单一分子骨架上同步实现了高能量密度、低感度和高热稳定性的协同提升。这一突破源于创新的分子设计与电子结构调控，依托“高氮核心骨架”与“一骨架，三协同”的设计理念，融合高氮含量、平面共轭结构及密集氢键网络等多重协同机制，从微观层面奠定了宏观性能的全面飞跃。 其能量密度显著优于现有高能炸药，撞击与摩擦感度大幅降低，热分解温度远超同类物质，展现出极端环境下的优异可靠性。在固体推进剂和发射药中，TYX系列含能材料表现出巨大应用潜力：可同步提升比冲与力密度，降低燃温、抑制烧蚀，为延长武器寿命提供关键技术支撑。该材料不仅为新一代高能、钝感、耐热型尖端装备系统提供关键材料基础，更为我国宇航工程、民用爆破技术及国际含能材料发展注入强劲的“中国动能”，推动我国含能材料向高性能、高安全、耐候化方向跨越发展。这一“中国方案”有望在全球含能领域掀起新浪潮，为国防安全与民用技术发展贡献重要力量，最终在攻克该领域世界级难题中树立中国标杆。 文章来源： Journal of Materials Chemistry A, 2025, 13, 25103-25109. Defence Technology, 2025, 52, 220-229. Defence Technology, 2025, DOI: 10.1016/j.dt.2025.09.025. 通讯作者：谭博军、刘宁、张根、张庆华 第一作者：谭博军、窦金康、苏剑、杨雄、唐长伟 单位：西安近代化学研究所、南京理工大学、西北工业大学、甘肃银光集团
  • 原文来源：http://www.cailiaoniu.com/?p=269221
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  • 《我科研人员攻克金属“不可能三角”》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2025-04-07
    • 科技日报讯 （记者陆成宽）在金属的世界里，有一个“不可能三角”，即强度、塑性和使用过程中的稳定性往往难以兼得。来自中国科学院金属研究所等单位的科研人员，提出了一种全新的设计思路，成功破解金属“不可能三角”，让金属材料在保持高强度、高塑性的同时，大幅提升了金属使用过程中的疲劳稳定性，让它能够抵御长期的更高应力冲击。相关研究成果4月4日发表于《科学》杂志。 在反复受力时，金属材料容易疲劳损坏，这严重威胁大型工程的安全。比如，飞机发动机叶片每秒钟要承受上万次高温高压冲击，起落架每次起降都经历剧烈震动；跨海大桥的钢索每天要扛住上百万吨车辆通行的压力——这些重大设备的安全运行，都亟须提升金属材料在长期重复受力下的疲劳稳定性。 金属疲劳的原因是金属中存在一种叫作位错的缺陷，当金属受到单向波动外力时，位错会移动、积累，悄悄形成不可逆转的变形和裂纹，最终导致突然断裂，这就是所谓的“棘轮损伤”。这种损伤破坏了材料的稳定性，就像是金属的慢性病，不易被发现，但后果很严重。 在这项研究中，科研人员通过在传统304奥氏体不锈钢中引入空间梯度序构位错胞结构，使材料屈服强度提升2.6倍；同时，较相同强度的不锈钢及其他合金，其平均棘轮应变速率降低了2—4个数量级，突破了结构材料抗棘轮损伤性能难以提升的瓶颈。 “引入空间梯度序构位错胞结构的操作方式就像‘拧麻花’，我们通过控制金属往复扭转的特定工艺参数，在其内部引入一种空间梯度有序分布的稳定位错结构，可以阻碍位错的移动，这就相当于给运动的位错安装了精密排列的亚微米尺度的三维‘防撞栏’。”论文通讯作者、中国科学院金属研究所研究员卢磊形象地说。 当外力来袭时，这些“防撞墙”既能像弹簧一样吸收变形能量，又能在原子层面触发神奇的形态转换——在网络内部会进一步形成比头发丝细万倍的更密集、更细小的“防撞墙”，如同给金属的筋骨网络内又注入了会自动修复的纳米“减震器”，赋予了金属令人惊叹的“遇强更强”的超能力。更神奇的是，整个强化过程均匀发生，避免了局域变形导致破损。 卢磊表示，这种梯度位错结构作为一种普适性强的韧化策略，在多种工程合金材料中展现出广泛的应用潜力，有望为航空航天等极端环境下关键部件的长寿命和高可靠性服役提供重要保障。
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  • 《“中国必须突破新材料核心技术” 干勇院士：新材料与新能源汽车》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-11-21
    • 2019年11月18-20日，由中共宁乡市委、宁乡市人民政府主办，宁乡高新技术产业园区管理委员会、宁乡市委统战部承办，起点锂电大数据、起点电动网、SNEC新能源企业家俱乐部联合主办的第5届中国（宁乡）新能源企业家年度峰会暨固态电池技术论坛（同期第5届起点金鼎奖颁奖典礼）在长沙宁乡通程温泉大酒店隆重举行。 来自300+电池厂/主机厂 500+材料设备企业领导相聚宁乡，共谋新能源产业发展。 在19日举行的开幕式论坛上，中国工程院院士干勇先生作《新材料与新能源汽车》报告。以下为现场实录： 图：中国工程院院士干勇 尊敬的旭明市长、钟利仁部长、主持人： 非常高兴来参加宁乡新能源产业3.0时代高端论坛，我在几天前刚到长沙参加了新材料协会论坛，上刚刚做了一个报告，是《制造强国的基础能力建设》，因为这是中材办交给工程院的任务，整个制造业发展有新动态和挑战。而新材料与新能源汽车，切合今天的主题，我改的比较匆忙，我是想交流一下。 工程院做工程科技发展战略时，本来就是战略咨询单位，是一个智库，像国务院和各个部委递交各种重大的工程战略咨询报告，国家科技发展和未来10到15年的全球格局和产业分工体系将发生深刻变革，产生基础能力提升。又根据新的材料和与美国全面的较量已经成为常态，下一步怎么办？所有的制造业强国的领域都是瞄准的重点，国际环境的深刻变化，美国优先、中美关系发生变化，是保护主义和我们的多边主义到连纵主义的较量。 一大批新技术将广泛应用，更多新技术突破继续涌现，通过网络通信和感知、工程控制、机器人、人工智能来提高我们先进技术的水平。 还包括高端装备，提了7个领域，一会可以看一下。还有新材料、生物、新能源，包括绿色环保和产业模式的变化，这里面就涉及到制造格局的深刻变化。以美国为首的发达国家想把新兴国家和资源提供国家进行打压。制造业比重方面，中国在下滑，发展动力不足，出现了过度去工业化的现象，占GDP的比重方面，较2017年下降了29.3%。资本逐利特性大量涌入房地产和金融业，产业结构仍处于中低端，产业附加值低，企业家对发展前景信心不足，中国10个银行的利润占了中国金融500强公司利润的50.7%。 还有一些核心技术、工业“四基”和关键装备受制于人，包括产业的体系、算法、设计、代工、生态环境等，已经是核心短板中的重灾区，包括人工智能高端传感智能也垄断在国外的企业手里。我们统计了130多种高端技术材料，32%是空白，特别是信息技术的特种材料。 中国制造10个重点领域里面有7个领域，包括装备、数控机床、机器人航空航天、海洋工程、新能源汽车、电力装备、智能电网等，信息技术和新材料是基础，包括生命科学。现在信息技术和能源技术的发展，新材料的开篇已经有所变化，正在提升，现在提出“超高性能”“超高纯度”，这是新材料发展的特点，要做中长期的打算和战略安排，很多地方是拼命赚钱都赚不到钱，但是也砸，不砸就跟不上。 新材料是国家高端材料的壁垒，垄断性越来越强，日本东丽垄断了碳纤维，美国铝业垄断了飞机使用金属材料80%的专利。 学科的交叉，包括基础学科的突破，使材料有了新的变化，物理深度融合诞生了高温超导材料。 当然中国的材料体系非常完整，我们是大国，将近20多种材料在全世界的数量都是第一，钢铁占了52%，水泥占了56%。 数量和材料的专利的任务也达到了全世界第一。这些过程中，特别是锂电池、新型电池材料等发展很快。半导体照明、高性能钢材料等，我们都有长足的进步。 抢占未来制高点，新材料还在不断涌现，我们不能放过。转方式、调结构，由于重大工程、高端装备的需求，中国必须突破新材料核心技术。 高端新材料是重大工程成功的保障，材料是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础。 最近正在做2030的重大课题专项，对新材料，中国的任务很重，这是强国的表征。数万台发动机在今后十年当中表现出来。 所有的制造业核心元器件的应用，这些高附加值产品往往都是国外提供，我们做集成、装配、加工中心。材料分成13类。 高端装备特种合金，先进钢铁，还有海洋的深海用材。 我们晚了20年，目前600度超强零件的基础中国改造了3亿多千瓦，占全世界80%以上，非常成功，而且出口占据国际市场的30%左右。 深海油气开采的关键材料，这些核心的高端空白，低端不能用。 高端装备，特别是轴承，包括汽车轴承、高铁轴承、数控机场轴承，几乎全部都是进口，160公里以上的动车组所有的高端轴承全部进口，每年高铁进口8万到9万套轴承。包括汽车自动变速器。 为了适应汽车批量化，中国吉帕级高性能汽车钢板，而且迅速占领了国际国内的大量市场，都是以强化为主，包括淬火配分，对汽车的轻量化起了决定性的作用，性价比非常好。车身制作284公斤，减轻了17%到29%的重量。 所以在与其他钢，其他国内外厂商，206家在应用，累计供货141万吨，占领国内市场超过60%。 高温合金，这是发动机核心材料，我也不谈了。 钛合金、铝合金，这里面已经制定了轻量化的规划包括先进民用飞机、海洋石油工程。 钛合金是非常遗憾的领域，钛合金的性能非常好，海洋、天空、陆地，这是第四代革命性的材料，轻，比强度高。但是长时间来，就在5万吨、7万吨徘徊，去年达到了7.4万吨，而且包括湖南的众多高端钛合金生产装备已经起来，但是很奇怪，钛在地球的储量是铜的80倍，全世界用钛合金在用到20万吨，在地球上什么储量最大，什么东西才便宜，像铁。只有钛储量多，但是价格昂贵。一定有一种低成本的技术没有被突破，现在正在找这种技术。原来使用镁还原得到海盐钛，中国的技术还在继续进行，我们走在前面。 镁合金，有两个问题，腐蚀性、强度，这两个问题都得到解决，丁院士在镁系统合金中采用各种技术，非常好的协同强化效应。包括耐蚀性，现在通过超声阳极氧化法，和镁合金完全一样，我们每年供应95%以上，国内的镁大量的应用，最近应用到20多万吨，每辆汽车上平均应用不到5公斤。所以希望通过一系列技术来减轻重量。 现在飞机上如果用镁合金将是极大的减重，镁合金有一个致命缺点高温自燃，所以波音他们最近签订了协议，美国的FAA计划将于年内取消商业飞机禁镁的禁令。 在高铁、地铁、摩托车、3C产品的应用，包括电池上的应用，镁干电池，海水激活电池，这非常有前景。 镁合金的弹性模量与人的骨头相当，易降解。我们希望10到15年后镁合金汽车行业用到150万吨左右，这是庞大的减重计划和目标，国家的轻合金制造创新中心正在筹备。 2020年要有20万吨左右用到车身板，到2050年大概有30万吨左右用到车身板。 铝加工，大型的铝的挤压件完全国产化，而且都是由很多民营集团来实现的。 新一代飞机大型整体式的结构件。高性能陶瓷与玻璃这里面对陶瓷材料不讲了。范景莲教授做了很多工作，最近2个陶瓷材料的院士，很厉害。 2020年需求预测，能量转化1.5万吨。新型高分子材料，民用交通和医疗卫生用聚烯烃材料，食品安全用钛系催化环保型聚酯。 高性能纤维与复合材料，碳纤维符合材料一定是各种交通工具应用的材料主体。国产化碳纤维低成本化，特别是汽车领域的应用，最近看到宁波所，他们在碳纤维汽车上面的应用做了大量的工作，中车也在大型的高铁上采用车体材料碳纤维的实验，将会为我们大规模的发展。 稀土新材料，资源第一、产量第一，是重要的战略优势资源，5月20号习总书记视察了基地，使用了4公斤的稀土，猛禽战斗机实现了超音速巡航功能。惯性导航的系统材料。 卫星、飞船的姿态控制、轨道调控都是材料的应用。先进战机多用发动机，包括机器人、数控机床。 包括了催化材料、高性能的稀土永磁材料用于全车数十个电机和传感系统，特别是磁动力系统。 现在在城际列车上大量应用，千瓦的电机已经出来节能18%到30%左右。 下一步创新点，是磁在新能源汽车里面得到大量的应用。 磁的创新点在哪里？磁动力体系上，永磁调速之后，中间可以是柔性连接，这样没有摩擦、没有接触、没有润滑。永磁轴承有悬浮轴承，应用转子动力学、机械学、电工电子学，无噪音、噪音小、耗能低。潜艇的隐身能力大大加强。 永磁制动，应用在电梯安全永磁制动系统、汽车永磁缓速器、轨道交通永磁制动器。 永磁齿轮、变速已经完全不用齿轮摩擦了。 所以永磁的产业非常大，我认为应该发展起来，磁产业应用方向，涉及战略性达9个门类。 混合动力技术可用于氢燃料汽车，这是非常好的方案。 每辆混合动力汽车要超过10公斤，价格很低，这非常有用。 包括催化剂，催化剂材料给我们压力很大，基础研究不足，国六突围，必须在轻稀土上打一个漂亮仗，在北京催化剂的研究院。 新型显示材料，主要是激光显示材料。 第三代半导体材料，支撑绿色、智能、泛在技术，满足国防安全、信息安全、智能制造、节能减排。第三代半导体的需求将会上来。美国2030年的用电，他与2018年相比，发电量降低11%。 新能源汽车发展趋势，美国DOE规划2020年到2025年，效率、密度、成本必须要达到新的高度，效率、电控达到98%，密度100千瓦每升，成本2.7每千瓦每美元。 所以第三代半导体优势就出来了，相比SI，有3倍的热导率，有3倍带宽度，10倍击穿场强，高电流密度、高开关速度高温，低导通电阻，冷却系统简化，更高效率。体积可以减少到三分之一到五分之一。系统的物料成本大幅度的下降。 电动汽车用功率半导体模块的占比，到2023年要达到50%。车联网和能源互联网是相通的，有巨大的结合作用，对国内碳化硅的发展历程，国家材料委员会和重大专项的编制组做了新的安排，所以电力电子技术启动，碳化硅6英寸产品成熟，国际有一些差距，但是我们的水平正在提升，包括株洲团队，他们在高铁的IPTV上做的很漂亮，在6寸的碳化硅上做了很多工作，20多家汽车厂商已经在车载充电机中使用碳化硅。主要用于电能转换、电机驱动、充放电、电源变换三大产品领域，这是我们的方向。 绿色能源，2020年锂离子动力电池单体的比能量达到300万。新型锂离子电池，国家成立了锂电电池的创新中心，现在是在高容量三元材料大量应用，硅碳符合材料必须上来，可能突破350瓦时的能量，最后是全部钛电池已经接近成熟。探索富锂锰基固态电池，锂硫电池。 新能源汽车发展将推动全球能源资源需求发展重大变化。 全球新能源汽车产业已进入快速发展期，2035年中国新能源汽车产量将占汽车总产量60%。 全球新能源汽车产业进入高速发展阶段，2018-2035年，中国汽车产量将从2781万辆快速增至4600万辆，新能源汽车产量将从127万辆快速增至1700万辆。到2020年，新能源汽车产量将达到200万辆，新能源汽车的发展将使全球石油消费的顶点和提前到来，中国少用2亿吨石油，因为用电代替的石油，中国的电是用煤，所以是煤电转换比，威胁美国的石油体系，甚至影响俄罗斯、中东地区的经济发展，进而影响全球能源格局，这是新能源汽车带来的冲击，如果2035年达到这样的产能，中国石油消费顶点提前到来，拉动铝、铜消费的需求，将使铜需求量从8万吨增长180万吨。 锂、钴搭起了煤炭和石油转换的桥梁，是国家能源安全的重要组成部分。而且全球资源分布集中，国际市场垄断程度很高，所以我们要小心，垄断程度高于石油，现在到各个地方可以买到石油，但是钴、锂垄断性还是很厉害的，所以要培养世界级大新新能源汽车企业，实现汽车产业弯道超车。积极寻求境外石油合作开发，提高多元化供应水平，这里面潜力巨大。 我在每一次会议上都补充新能源电池，从氢还还原氧化铁，二氧化碳减到零，二次能源成本偏高，高碳向低碳发展这是必然的，在韩国召开的世界气侯大会委员会上，1888年到2018年，地球的维度提升了0.86度，这温度的提升，看气侯的变化非常奇特，非常恶劣的天气不断出现。所以到本世纪末，如果温度提高2度，最多1.5度，这是什么概念，10年之内要出现一圈北极冰没有了，2050年二氧化碳排放要大幅度减少，全球进入氢能时代，占能源比重的18%，所以氢时代的到来，固体能源到液体能源到气体能源的转换，从不可持续到可持续，从集中式到分布式，从多碳到无碳。减排60亿吨的温室气体。 氢能未来，抓住当下的机遇，他认为聚焦四个机会，充分利用现有的工业港口，将其转变为低成本、低碳、氢能的枢纽，支持运输车队、货运通道使产生更大的竞争力，柴改氢。国外氢能的发展我不说了，氢能作为极具发展潜力的二次能源，具备转换灵活、容易获取等特征，国际能源署和全球氢能委员会均发布的路线图和相关文件。 包括各国的氢能发展，2018到2050，我就不细说了，美国到3个30万辆，在路上跑的氢燃的汽车，现在现在只说到2030，100到150万辆。 如果作为基础设施部分，2030年到100万辆，大概是5000多座，每年需要大概400万吨所有的氢能利用。日本到2025年到3个30万台新燃料电池。 国内已经形成6个集群，完整的产业链正在形成。 京津冀、华东、东南、华北，动作非常快，因为各省的资源禀赋不一样，要因地制宜。为什么山东这么积极全省做规划，有两横两纵的交通线的氢走廊，化工大省，是因为氢气产能庞大，巨型车企引领，山东重工目前投500个亿建立氢能的平台。 山西每年6亿吨煤输出来，他准备将1亿吨煤变成氢气输到周边的省市。 四川，建设全国优质清洁能源。 海南，2030年不准燃油车进入海南，对氢能的发展已经全面的规划，内蒙也是，煤气也是丰富的。在氢的利用上，我认为是在中型卡车、大巴的应用，乘用车的布局非常困难，首先是要补贴下去。中国燃料电池汽车和氢能的现状，41家整车企业，56款燃料电池汽车车型，25家燃料电池系统公司。 港口的重型机械，也可以利用，重卡、柴油这是一个方向，集中布局氢燃料电池，全国汽车保有量，柴油车占了9.6%，但氮氧化物占了78%。 我们统计了每个港口的出货量，按每车运输30吨，柴油量巨大，氢气每个月120万吨，大量的减排。 唐山是非常好的例子，1.3亿吨的钢铁产能的物流巨大，首先用煤气来布局加氢站，所以国际商已经开始重卡了。 燃料电池现状不说了，最后主要是区域性的大格局，氢能的运输重要，管道运输的成本非常便宜，如果使用车，每年运输的成本24亿，材料方面不再说了，这也是材料大的产业，包括聚合物的气瓶。 国家目标的发展，CCM的纳米、微米复合材料的使用。 中国制造业与国外制造强国相比，新能源汽车，国际领先5类，通信设备、先进轨道交通装备、输变电装备、纺织、家电。 我的发言就到这里，谢谢大家。
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