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2 8 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 8 卷第1 期 超高能炸药金属氢’ 熊炎飞曹禹 工程兵指挥学院地爆教研室 江苏徐州，2 2 1 0 0 4 [ 摘要] 文章主要从金属氢的特点、研究进展、使用价值三个方面进行了简要介绍。 [ 关键词]金属氢高能密度材料金刚石压砧 D A C 技术超高能炸药 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 1 3T Q 5 6 l 引言 氢是最简单的元素，其原子由一个质子和一个 电子组成。它在常温下是一种气体，在低温下可以 成为液体，在温度降到一2 5 9 ℃时成为固体。如果对 固态氢施加高压，氢就可能成为金属氢。太阳系的 大多数星球都是由氢元素构成的，按质量计，氢约占 太阳系所有星球 太阳除外 总质量的9 0 ％以上， 其中大约一半是以金属氢的形态存在。金属氢是太 阳系中含量最多的物质，也是太阳系中最轻的金属。 2 金属氢的特点 液态或固态氢在上百万大气压的高压下变成了 导电体，由于导电是金属的特性，故能导电的氢称金 属氢。早在1 9 3 5 年，英国物理学家就预言，在一定 的高压下，任何绝缘体都能变成导电的金属⋯。只 是，不同的材料转变成导电金属所需的压力不同而 已，有的材料，如磷，已能获得导电体，但稳定的金属 氢样品始终没有得到。在苏联、日本、美国的几个实 验室中，只在上百万大气压的超高压下得到了金属 氢，不过，一旦恢复常压，氢又回复到初始状态。 从理论上来看，在超高压下得到金属氢是确实 可能的。不过，要得到金属氢样品，还有待科学家们 进一步研究。已掌握的超导材料大多数需在液氦 一2 6 9 ℃ 冷却下使用，这使超导技术的发展受到 限制。金属氢的超导临界温度是⋯2 2 37 3 ℃，能 够在液氮 一1 9 6 0 C 温度下使用，这将大大推动超 导技术的发展。 在金属状态下，氢分子将分裂成单个氢原子，并 使电子能够自由运动。在金属氢中，氢分子键断裂， 分子内受束缚的电子被挤压成公有电子，这种电子 的自由运动，使金属氢具有了导电的特性。因此，把 氢制成金属，关键就是把电子从原子的束缚下解放 出来‘引。 金属氢是一种亚稳态物质，可以用它来做成约 束等离子体的“磁笼”，把炽热的电离气体“盛装”起 来。这样，受控核聚变反应使原子核能转变成了电 能，而这种电能将是廉价的又是干净的，在地球上就 会方便地建造起一座座“模仿太阳的工厂”，人类将 最终解决能源问题。 计算表明【3 J ，氢分子的金属化约需2 0 0 G P a 的 压力。研究表明，金属氢可能是一种高温超导 体‘4 1 。 3 金属氢研究进展 金属氢的问题，在理论上涉及状态方程、能带结 构、晶格动力学、结构和电子转变、相稳定性、超导性 等一系列凝聚态物理中重要的基础理论研究。在实 验技术上则涉及D A C 超高压技术、同步辐射x 射 线、激光技术、拉曼光谱、光吸收和光反射等一系列 最新实验技术在超高压物理研究中的应用【5 J 。1 9 8 8 年取得了突破性进展，发现固体氢在1 5 0 G P a 压力 和7 7 K 低温条件下发生相变，新相被称为Ⅲ相或H - A 相。相变时，拉曼活性V i b r o n 频率有l O O c m 。1 波 数的不连续变化。一些理论模型【6 曲1 认为是压力引 起的氢分子固体间接能隙闭合造成的能带交叠金属 化现象，被称为“分子相金属氢”。美国卡内基研究 所毛河光小组和哈佛大学的S i l v e m 小组接着分别 进行高压下光吸收反射率和介电性质的测量L l0 I ，企 图得到符合D r u d e 金属自由电子论的固体氢金属化 的实验证据。在低至0 ．5 e V 的高压反射率和光吸 收的测量中，毛河光小组宣布获得了氢金属化的证 据。S i l v e r a 小组则在低至0 ．8 “的高压光吸收测量 中，未观察到D r u d e 自由电子边，但在介电测量中看 到了标志金属化的“介电崩溃”现象，从而引起了科 学界的轰动。当然这还没有达到使氢分子键被拆 散，从而形成原子相金属氢的最后目标。要达到这 一目标，压力还得更高。1 9 9 5 年，V i n c e n tN a t o l i 等[ 1 指出，氢分子固体第Ⅲ相与I 、Ⅱ相一样，仍 收稿日期2 0 0 8 - 0 7 - 1 0 作者简介熊炎飞 1 9 7 7 一 。男，讲师，硕士，主要研究方向为军事爆破工程。E - m a i l x i o n 留a n f e i 1 6 3 ．啪 万方数据 2 0 0 9 年2 月 超高能炸药金属氢熊炎飞等 2 9 属六角密堆积结构 H C P 。但与I 相中氢分子在 H C P 格点上自由旋转以及Ⅱ相是对称破缺相 B S P 相比，所不同的是，Ⅲ相中占据H C P 格点的氢分子 是取向排列的。这个取向排列不同于早年A ．A ． A b r i k o s o v 提出的氢分子沿c 轴排列的模型 被称为 M H C P 2 c ，而是氢分子与C 轴构成6 0 0 夹角的一种 新排列，称为M H C P - o 。V i n c e n tN a t o l i 等的量子蒙 特卡罗计算表明，M H C P ．O 比M H C P c 能量低、稳定 性高，且提出固体氢第Ⅲ相是绝缘相，而不是金属 相。 高压力可以改变物质中原子、电子结构及相互 作用，是改变物性、产生新现象和合成新物质的重要 条件和手段。近十多年来，随着超高压技术的发展， 已能在金刚石对顶砧 D A C 上产生2 5 0 3 0 0 G P a 的静态压力，并可进行高压原位物理研究。1 9 8 8 年，美国卡内基研究所地球物理实验室毛河光等人 观察到氢在1 5 0 G P a 、7 7 K 时发生分子内伸缩振动的 V i h r o n 频率不连续变化的相变。1 9 8 9 年，毛河光小 组把压力提高到2 5 0 G P a ，证明氢仍是分子态，在 2 5 0 G P a 以上，发现氢样品变黑，成为不透明，认为有 可能氢分子拆成为氢原子。不过，这些有待于实验 的进一步证实。随后，围绕着氢的1 5 0 G P a 的相变， 进行了许多相变机制的理论探讨和实验研究。从 此，开始了氢的金属化相变的最新系列研究和进展。 4 实验研究方法m o 4 ．1 动态冲击波法 采用高效炸药和迅变高磁场来产生高压，以使 氢压缩。用此方法，估计压强可以达8 0 0G P a ，局部 受压区温度高达70 0 0K 。这种实验只能用x 光快 速曝光来记录实验前后氢的体积，以求得密度来评 估压强，可得到密度1 4 倍于液态的固态氢，达到l g ／c m 3 以上。当时前苏联的实验工作者在4 0 一 8 0 0 G P a 的范围内测量压缩率，发现体积在2 8 0 G P a 处突然改变，他们认为这是形成金属相的证据。动 态冲击波产生的压力很高是其优点，但也有缺点。 一是实验费用昂贵；二是冲击波压缩以绝热方法进 行，大部分能量转化为热，使样品温度升得很高，这 时很难说氢是固态还是等离子体。1 9 6 2 年英国剑 桥大学的福勒曾推测，在足够的温度和压力下，分子 氢可能会转变成一种致密的等离子体，即离子化的 气体；同时由于其冲击波压力持续时间短，只有0 ．1 一1 ．0 舻，使许多深入的物理测量很难进行。据美 国 S C I E N C E 报道，1 9 9 6 年，劳伦斯利弗莫尔国 家实验室把一金属活塞以2 57 4 9k m ／h 的速度吹进 一个液态氢微滴中，研究人员发现氢变成一种导电 的金属。 4 ．2 动态等熵压缩方法 1 9 7 2 年，F p H r o p b e n 等利用这种方法在2 8 0G P a 和7 2 0K 的条件下，发现氢的密度随压力曲线存在 拐点，认为氢变为金属氢。同年，G r i g o r e v 等用此法 在2 8 0G P a 和7 2 0K 的条件下，用射线探测，发现氢 的密度突然从1 ．0 8g ／e r a 3 变为1 ．3 0g ／c m 3 ，认为是 氢变成了金属氢。采用动态等熵压缩方法，压力也 可升得很高，但压力上升不如冲击波陡峭，样品温度 上升小得多，而且压力持续时间可达1 0 炉，与冲击 波相比有很大的改进。 4 ．3 静态压力方法 1 9 7 5 年，B e p e m a r H H 等利用静态压力方法在金 刚石尖顶形容器上进行氢的实验，发现在4 ．2 K 和 大致1 0 0G P a 条件下，溅射在金刚石上的氢，其电阻 率有6 个数量级的下降，其原因是氢电阻的巨大变 化，是氢转变为金属氢的结果。 4 ．4 金刚石压砧 D A C 技术 由于金刚石强度高，所以使用金刚石压砧高压 室可以产生很高的压力，可达3 0 0G P a 的压力，远远 超过以前用其它方法达到的静态压力范围。更重要 的是金刚石作为高压窗口对许多射线是透明的，利 用D A C 可进行光吸收、拉曼散射、布里渊散射和X 射线衍射的研究。同时D A C 还可以测量物质在超 高压状态下的电阻、电导率的变化。1 9 7 8 年，毛河 光等人在D A C 上，压力做到1 7 2 G P a 后，率先进行了 该压力范围的物性测试。D A C 设备并不大，只是2 块金刚石靠在一起，中间有线度为几十微米的空间 放置固态氢。近年来，探测技术已大大进步，一方面 是强力辐射源，如激光、同步辐射的发展，另一方面 是多道探测器技术的进展，如能散x 射线探测器、 电耦合多道探测器、傅立叶变换红外干涉仪等，大大 提高了超高压下极小样品研究中的测量灵敏度。 4 ．5 降低压力方法 在以上方法中，要求的压力很高，现有技术条件 下，导致样品空间小、产量低，无法进入实用状态，因 而迫切需要研究一些降低金属氢转变压力的方法。 1 9 7 1 年G i l m a n 提出把氢置于介电常数较大的媒质 中，可以降低金属氢转变压力，得到的L i H F 也可能 具有超导性，且超导转变温度相当高。1 9 8 3 年，C a r - i s s o n 和A s h c r o f t 提出添加杂质或缺陷以降低价带和 导带问的能隙，并提出用过渡族金属元素最合适，另 外用强光源照射可以产生电子- 空穴对，从而在固氢 中产生负压力．起到降低外压效果。 5 金属氢在工程爆破中的使用价值 科学家们预言未来金属氢有两种利用价值极 高的状态，一是亚稳态，二是室温超导体。金属氢在 以下工程爆破领域将有可能带来便利 1 把室温下的超导金属氢炸药制作成能驱动 万方数据 3 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 8 卷第1 期 的微型 纳米级 炸药，然后将其注射人人体血管 中，并驱动到病变位置，然后起爆，这样癌细胞等有 害物质被炸死，并随汗液、尿液等排出体外，也可以 清除心脑血管中病变障碍等。 2 金属氢的能量密度非常大，它的威力是 耵盯的2 5 3 5 倍，是目前威力最强的化学爆炸物， 它的爆速约1 5 0 0 0 m ／s ，做功能力极强。如果把金属 氢应用到开山、采矿、采石、水下炸礁、地基处理等方 面，将大大地改善爆破效果，达到较为理想的状态。 3 当聚能装药采用金属氢作为能量源时，由 于金属氢的能量密度非常大，爆破作业中的药量必 将大大减小，加上本身的爆速极快，从起爆到整个装 药完全爆轰的时间也将减小，将有利于金属射流的 形成，并提高所形成的射流速度，增加破甲深度。 4 由于金属氢的爆速极快，装药的反应时间 短，将其应用在微差电雷管、爆炸螺栓、爆炸序列等 方面将使这些爆炸件的控制时间更为精确，工程控 制将更为方便。 5 在爆炸焊接、爆炸拉伸等领域，常要控制爆 炸波波形，利用金属氢作为炸药，将更加有利于控制 其爆轰波波形。 6 利用金属氢作为炸药以后，由于药量减少， 穿孔的孔径必将减小，从而减小穿孔作业强度，提高 了爆破作业效率，且运输炸药工作量也将大大减小。 7 由于金属氢炸药不含C 、N 、S 、P 等元素，使 用后不会产生C 0 2 、C O 、N O 、N 0 2 、S O 、P 2 0 5 等有害 气体，不会对环境造成污染，同时生产也将绿色化。 其它方面，金属氢超导材料在军事领域的应用 也将是非常广泛的，如超导电磁推进系统、超导电磁 炮、超导粒子束武器、大功率发动机、超导储能系统、 超导计算机等。金属氢武器的爆炸威力可与核武器 媲美，所以人们将它与干净的聚变弹、反物质武器、 激光粒子束武器、核同质异能素武器等正在研制中 的新机理武器一起称为第四代核武器。高效聚变燃 料在激光惯性约束核聚变中，核燃料是氢的同位素 氘- 氚的混合物。若用固态金属氘- 氚作燃料小球， 由于其密度比其它形式 如气体或低温的普通固 体 氘一氚混合物的密度高，在一定容积的靶室内可 装更多燃料，因而可提高核聚变的效率，产生更多的 聚变能。固态金属氘- 氚核聚变燃料的使用将使未 来核聚变反应堆的实用化和小型化成为可能，为聚 变能早日进入人们社会生活领域和军事领域奠定物 质基础。 6 结束语 几十年来研究，虽然未能在实验中得到氢的金 属相，但天文学家用欧洲南方天文台的大望远镜上 的高分辨率光谱仪发现了宇宙深处的富金属氢云， 而且对于氢在超高压下的物性已经有很多了解，氢 及金属化研究的方方面面工作，如状态方程、各相新 的低频拉曼和红外谱、零点能和质子的非谐振动等， 在不断开展和进步。纵观人类发展史，从石器时代、 青铜器时代、铁器时代到半导体时代，每一次材料的 更新都给人类带来了阶段式的进步，金属氢研究这 一领域的又一突破，必将对人类发展起到推动作用。 参考文献 [ 1 ] W i g n e r E ，H u n t i n g t o n H B ．J ．C h e m ．P l a y s ．，1 9 3 5 ，3 7 6 4 ． [ 2 ] r p H r o p b e B O B ，e ta 1 ．ⅡM c b M o 粕№，1 9 7 4 ，1 6 2 8 6 ． [ 3 ] 李俊杰，朱宰万．超高压下固态氢金属转变的理论研 究[ J 】．延边大学学报 自然科学版 ，1 9 9 8 ，2 4 1 2 1 2 9 ． [ 4 ] 董海山．高能量密度材料的发展及对策[ J ] ．含能材料 增刊 ，2 0 0 4 ，1 2 A 0 1 1 1 2 ． [ 5 ] 陈良辰．金属氢研究新进展[ J ] ．吉林大学学报 理学 版 ，2 0 0 2 ，1 1 8 4 8 7 ． [ 6 ] 朱宰万，徐济安．金属氢理论 Ⅳ W i g n e r - 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h i g he n e r g ye x p l o s i v e 万方数据