中国原创突破！TYX系列材料攻克含能领域“不可能三角”，首次实现高能、低感、耐热三者协同

导读

在含能材料研究中，如何同时实现高能量、低感度和高耐热性，是横亘于科学家面前近一个世纪的全球性难题。传统材料往往难以兼顾三者，提升某一性能常以牺牲其他属性为代价，成为制约高性能含能材料发展的核心瓶颈。近日，我国科研团队取得重大突破—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、甘肃银光集团历时3年，创新提出高氮骨架分子设计理念，成功研制出TYX系列含能材料，首次在单一分子平台上实现了“高能-低感-耐热”三重性能协同突破。相关突破性成果连续发表于国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》和《Defence Technology》。

引言：“一梦多年，三角困境”终得解

含能材料常用于国防、航天、矿业爆破等关键领域。一直以来，研究者都希望材料能同时满足三大理想特性：能量高、感度低、热稳定性好。然而，就像无法同时抵达三角形的三个顶点，这三者始终难以在一种材料中完美融合。提升能量往往导致感度升高、危险性加大；增强稳定性又常伴随能量衰减。正因如此，破解这一“三角困境”，被国际公认为含能材料领域的“圣杯”。

图1. 含能材料性能三角困境

分子设计：高氮双内盐，巧解平衡难题

研究团队跳出传统思路，摒弃了易导致结构疏松的离子型设计，转向构建一种新型“平面双内盐结构”。该设计具备三大创新点：

高氮骨架：利用氮元素高生成焓、多气体产物的特性，为高能量奠定基础；同时，氮原子可形成丰富氢键和分子间作用力，显著提升材料的稳定性；

精巧构型：通过原子级精准调控，实现能量释放、稳定性和安全性的最优平衡；

简洁合成：团队开发出仅需2-3步的高效合成路径，可规模化制备TYX系列材料，大幅降低产业化门槛。

合成路线：高效、高选择性

该系列三种化合物均以经典高氮化合物BTATz为共同前体，通过高效、高选择性的合成路径制备：首先，BTATz在磺酸烷溶剂中与3,6-双(3,5-二甲基吡唑基)-1,2,4,5-四嗪发生取代反应，生成中间体2；随后在磷酸三乙酯与多聚磷酸体系中经高温环化，得到关键中间体TYX-1；最后，TYX-1分别经浓硝酸硝化（得TYX-2）或过氧化氢/钨酸钠氧化（得TYX-3），以较高收率（78%–85%）获得目标产物。整个路线有效规避了传统合成中涉及的高危中间体，兼具高效性与安全性。

图2. TYX-1、TYX-2和TYX-3的合成路线

性能数据：“一骨架、三协同”，铸就性能新高度

TYX-1：实测密度1.83 g·cm-3，热分解峰温达473℃，含氮量高达73%，理论爆速8.6 km/s，机械感度（撞击感度 > 40 J；摩擦感度 > 360 N）与钝感炸药TATB相当。

TYX-2：实测密度2.04 g·cm-3，热分解峰温为221℃，理论爆速9.915 km·s⁻¹，机械感度显著低于CL-20（撞击感度22.5 J，摩擦感度180 N）。

TYX-3：实测密度1.99 g·cm-3，热分解峰温达365°C，感度与TATB相当（撞击感度 > 40 J，摩擦感度 > 360 N），理论爆速9.315 km·s⁻¹。

通过单晶X射线衍射解析其分子结构与堆叠模式，确认其平面共轭结构与密集分子间作用（氢键、π–π堆积）。通过Hirshfeld表面分析和静电势（ESP）计算揭示其高频氢键网络与电荷分布特征。

图4. TYX-1 (a-d)、TYX-2 (e-h)和TYX-3 (i-l)的分子结构、单晶结构和理化性能数据

理论计算与机理研究

反应起始于化合物R（即化合物2经初次环化所得产物）中四唑环的N-N键断裂，引发五元环开环，并跨越能垒为+22.9 kcal·mol-1的过渡态TS1，形成叠氮中间体IM1。随后，经由C-N σ键旋转与氢原子迁移协同作用，生成中间体IM2。该中间进一步通过能垒为+37.2 kcal·mol-1的过渡态TS2，发生N-N键断裂，同时释放一分子氮气，生成N-卡宾物种IM3。IM3经C-N键重排达到最优构象，跨越+12.8 kcal·mol⁻¹的能垒（TS3），完成五元环的闭环，最终以高度放热的方式生成热力学稳定性显著提高的产物Pro（即TYX-1，ΔG = -58.5 kcal·mol-1）。

研究团队采用DFT计算（M062X/Def2-TZVP）对该环化过程进行了深入解析，清晰揭示了从四唑开环、氮气逸出到五元环重构的完整反应路径，凸显了TYX-1作为热力学稳定产物的合理性与优越性。

(a) TYX-1环化反应的合理机理；(b) TYX-1环化路径的自由能分布图

应用前景：固体推进剂与发射药配方性能的双重提升

表1 低特征信号PNMMO推进剂的能量特性参数

表2 （添加RDX、HMX、CL-20或TYX-2的）典型三基发射药配方及其能量参数计算值.

在PNMMO基固体推进剂和三基发射药中引入TYX系列含能材料，可带来多方面的性能提升：

其比冲（Isp）相较于AP基推进剂最高提升35.6 s；

火药力（Force Capacity）较RDX/HMX体系提高约30 J·g-1；

燃烧产物中氮气含量高达32.9%，有效抑制烧蚀，延长使用寿命；

爆温降低超过150 K，显著增强了热安全性。

这些优势共同体现了TYX材料在先进推进系统中的重要应用潜力。

结论与展望

TYX系列材料的成功研制，标志着我国在高性能含能材料领域取得重大原创突破，在国际上首次实现了“高能-低感-耐热”三重性能的协同提升，从根本上解决了长期制约该领域发展的核心瓶颈。其性能优势源于创新的分子设计与电子结构调控，融合高氮含量、平面共轭及多重氢键网络等结构特征，从本质上协同平衡了能量与安全性。在固体推进剂和发射药中的应用表明，TYX材料不仅可显著提升能量性能，更具备增强热安全性与延长使用寿命的巨大潜力。该材料可为新一代高能、钝感、耐热型武器装备提供关键材料基础，并在深井超高温爆破、航天器特种推进等极端环境中展示出广阔应用前景。随着合成工艺持续优化与应用研究不断深入，TYX材料有望快速实现工程化应用，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”，显著推动我国含能材料向高性能、高安全、耐候化方向跨越发展，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, DOI: 10.1016/j.dt.2025.05.024.

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