含能材料通道式制備技術的發展思考

通道式制備技術具有高效的混合和傳遞性能、反應空間小、模塊化結構、并行放大，可有效提高反應過程安全性和過程的精準調控，實現連續安全生產等優點，其應用領域正在從精細化工、醫藥等逐漸拓展至含能材料領域，可有效解決傳統間歇反應模式中所存在的合成過程可控性差、效率低、危險性高、工程放大難等問題。目前，通道式制備技術已實現了多種含能材料的合成、結晶及包覆過程，從而開啟了含能材料制備模式的革新時代。因此，可以預見在未來幾年內，含能材料通道式制備技術將在基礎研究和原始創新方面持續發力，在工程應用方面不斷突破，形成通道式制備工藝設計和裝置研發能力，實現含能材料的本質安全生產，為推進新時代武器裝備的高質量發展提供強大科技支撐。

1.含能材料通道式制備技術的發展現狀

（1）含能材料通道式制備技術特點

目前，含能材料制備普遍采用反應瓶/釜為載體的間歇式制備技術，經小試、中試、擴試等階段實現制備能力的逐級放大。傳統制備技術雖然具有適應性強、裝置制造技術成熟等優勢，但存在在線載藥量大、傳質傳熱效率低、工藝參數控制精度差、逐級放大復雜等問題，易造成產品質量波動和反應過程失控，亟需發展新工藝技術和新裝備，從本質上解決其過程安全、放大和調控等問題。通道式制備技術興起于上世紀九十年代初，其連續、安全、高效的特點能夠很好解決高污染、高能耗、易燃、易爆等諸多行業所面臨的共性技術難題，契合了含能材料安全可持續發展性的迫切需求，從而掀起了通道式技術在含能材料制備領域的研究熱潮，不斷豐富該技術的研究內涵，促進工藝技術創新、核心裝置開發與工程化應用。

在研究內涵上，含能材料通道式制備是指通過不同結構和尺寸的通道反應器，以連續流動模式進行多個物料的混合和過程工藝參數的調控，實現單質及復合炸藥的連續可控制備。目前，含能材料通道式制備技術內涵主要包括通道式合成、結晶、包覆等內容，涉及化學工程、流體力學、安全評估及在線檢測等多個研究方向。此外，通道式制備技術具有較高的集成兼容性，可與新興綠色化學技術、數字化技術等集成，逐步形成了具多學科交叉特性的研究領域。

在裝置能力中，通道反應器是含能材料通道式制備中最為核心的單元。通道式反應器具有體積小、載藥量低、停留時間分布窄、溫度精確控制等優勢，其出色的“三傳一反”特性，在反應過程強化和裝置系統小型化中發揮了重要作用。相較于間歇式制備技術，通道式制備技術在線載藥量降低至釜式的1%～1‰，傳質傳熱效率數量級提升，危險系數顯著下降，有效提升了含能材料制備過程的安全性。為實現某化學或物理功能，可將不同類型的通道反應器進行組合，形成通道單元模塊。將不同功能的通道單元模塊進行系統集成，配套溫度控制系統和輸送系統等輔助單元，形成通道單元撬塊（圖1）。通道單元撬塊具備獨立完成含能材料全流程連續化制備的關鍵核心能力，在此基礎上進行并聯復制，可快速實現含能材料的規模化放大和批量化制備。通道式反應技術以柔性模塊化進行集成，可實現含能材料現代化生產線的數字化網絡構建和智能化控制，是提升武器裝備現代化水平的強有力手段和途徑。

圖1 通道單元撬塊示意圖

（2）含能材料通道式制備技術應用與難點

通道式制備技術已經實現了部分硝基、硝酸酯、疊氮、氮雜環類含能材料的連續安全合成，包括液體含能材料（硝化甘油、硝酸異辛酯、含能增塑劑NENA）、固體含能材料（LLM-105、硝基胍、ADN）等。其中，部分硝酸酯類等液體含能材料的通道式合成已完成工業示范運行，充分展示出了通道式制備安全高效的優勢（Bradley Sleadd，Insensitive Muntions & Energetic Materials Technology Symposium，2019，22164.）。基于含能材料通道式制備的優勢，美國LLNL 國家實驗室、德國ICT 研究院等國外軍事研究機構在技術研究基礎上，已具備了初具規模的含能材料通道式合成能力。目前，國內在含能材料通道式合成方面研究活躍，取得了顯著進展，但多集中在基礎科研領域，距應用尚有距離；通道式制備技術也逐漸應用于含能材料晶體形貌、晶型以及聚集結構等過程調控，準確調控結晶環境，可實現形貌、粒徑等晶體形態的精細化調控。但不論含能材料合成還是結晶，通道式制備技術還主要集中于液相或低固含量體系。如何實現高固高黏度體系的通道式制備，仍是極具挑戰性難題。新型通道反應器的設計及超聲、聲共振等過程的輔助協同，有望提供解決方案和策略。

作為新的制備模式，發展含能材料通道式制備的安全性評估技術、過程分析技術迫在眉睫，構建相應標準規范體系極其重要，相關內容已引起含能材料工作者的重視，相關研究正在開展中，研究成果必將進一步豐富含能材料通道式制備技術內涵。

2.含能材料通道式制備技術發展趨勢與思考

作為一種創新技術，通道式技術在含能材料制備方面已表現出極大的優勢和潛力，但目前仍屬起步階段，尚有諸多基礎科學問題和工程應用難題亟待研究和突破。未來可針對以下三個方面開展進一步的研究工作：

（1）建立多樣化技術手段和方法，揭示深層次反應機理與機制

目前，含能材料通道式制備技術多集中在工藝技術的開發，通道式反應深層次機理及機制認知尚待形成，高固相體系的堵塞難題尚未得到有效解決。通過超聲、聲共振等與通道式制備技術的協同設計及應用（Joe Mayne，Insensitive Muntions & Energetic Materials Technology Symposium，2022，24843.），在抑制固相沉淀方面已初見成效，為高固體含能材料通道式合成研究提供了很好的解決方案和策略。在機制研究方面，通過仿真建模、理論計算和實驗驗證相結合的方式，加深含能材料通道式制備過程強化機制的研究，揭示微尺度下傳遞、反應及其耦合與調控機制。同時，發展通道式過程分析技術，將多種在線檢測手段與反應系統進行集成，實現制備過程工藝參數可視化，形成多尺度貫通的研究手段和方法，建立對含能材料通道式制備技術的科學認知體系。

（2）構建技術體系標準及方法，指導技術應用與發展

在含能材料通道式制備的工藝研發中，仍通過大量試錯法獲得相關數據，缺乏工藝適用性評價準則，亟需建立標準體系及方法，用以指導技術的應用和發展。運用正向設計方法建立釜式工藝向通道式工藝轉換的方法體系，加強通道式工藝與設備的匹配設計與開發，實現含能材料制備工藝的快速開發及其與設備的深度融合。建立通道式技術的工藝適用性和安全性評價準則，從反應器的設計、反應熱風險評估、反應體系的研判及安全等級的評價方面著手，建立通道結構類型、工藝參數和安全閾值數據庫，形成指導含能材料通道式制備的行業規范與標準。

（3）加強多鏈條技術互通，實現多領域交叉融合

含能材料通道式制備技術不僅可以助力新型含能分子的高效研發，更利于生產環節上多工序的連續化制備。基于通道連續流動模塊的智能平臺的開發，證實了集成通道式、自動化和機器學習等先進技術在實現新物質高通量 篩 選 與 制 備 上 的 可 行 性（C W Coley，et al.Science，2019，365：1566；S Chatterjee，et al.Nature，2020，579：379.）。因此，打通分子設計、連續化合成、在線檢測、數據分析、智能決策、優化迭代等多個流程，通過將自動化技術、機器學習技術與通道式技術深度融合，構建含能材料智能化高通量合成平臺，是未來新型含能材料創新開發的重要載體。加強含能材料反應、洗滌、過濾、干燥等多工序集成的全鏈條互聯互通，開展通道式制備前后處理工序的自動化、連續化匹配設計和關鍵技術驗證，形成數智化工程裝備的核心技術與能力，是推動含能材料通道式制備技術深度發展的重要理念。

3.總結

作為含能材料領域的新興技術，通道式制備技術的優勢顯而易見，已經得到廣大科研工作者的認可和高度關注，技術內涵日趨豐富和完善，但工程應用階段仍面臨著諸多挑戰。然而，挑戰與機遇并存，越來越多的科研工作者投身于含能材料通道式制備技術領域的研究，不斷探索與開發新的含能材料體系和制備技術，聚力關鍵核心技術研究攻關，正為通道式制備科學工程技術難題提出創新性解決方案。不容忽略的是，任何先進技術都具有兩面性，通道式制備技術不是萬能的，并不適用于所有的含能材料體系，自身也存在短板和缺陷，但也正因為如此，才更值得含能材料科研工作者去深度研究和挖掘，從而實現產-學-研的深度貫通和創新性、突破性成果的轉化運用。這也是推動含能材料通道式制備技術長遠發展的內生動力，是通道式制備技術在含能材料制備中的真正價值和意義。