《Defence Technology》：Equation of state of detonation products of TKX-50: A hypothesis challenging the classical gas-dominated theory
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富氮含能材料（NEMs）因其高能量密度而在炸药研究中受到广泛关注。尽管其爆轰能量较高，但能量释放效率可能达不到理想水平——这一现象被称为"高能低爆"，典型代表为二羟胺5,5′-双四唑-1,1′-二醇盐（TKX-50）。本研究识别出TKX-50独特的非协同爆轰行
富氮含能材料（NEMs）因其高能量密度而在炸药研究中受到广泛关注。尽管其爆轰能量较高，但能量释放效率可能达不到理想水平——这一现象被称为"高能低爆"，典型代表为二羟胺5,5′-双四唑-1,1′-二醇盐（TKX-50）。本研究识别出TKX-50独特的非协同爆轰行为，该行为可能源于其爆轰产物中大量碳氮团簇的形成。这些团簇通过降低气态组分的内能和分子数来降低能量释放效率，从而颠覆了经典的气体主导产物模型。通过构建包含团簇的TKX-50产物状态方程（EOS），计算结果表明TKX-50爆轰产物的绝热膨胀具有独特过程：高压生成后伴随团簇的低压分解。本研究首次准确预测了TKX-50的爆轰参数和做功能力，将计算误差降至经典模型的1/16至1/2。在该EOS指导下，研究人员设计了绕过团簇富集区的高温能量释放路径。理论计算与电化学耦合爆炸实验相结合表明，该路径可能显著增强TKX-50的能量释放，并有望克服"高能低爆"的局限。本研究揭示了可能抑制新型NEMs能量释放效率的关键机制，并为其性能优化提供了科学框架。
富氮含能材料（NEMs）因其高能量密度而在炸药研究中受到广泛关注。尽管其爆轰能量较高，但能量释放效率可能达不到理想水平——这一现象被称为"高能低爆"，典型代表为二羟胺5,5′-双四唑-1,1′-二醇盐（TKX-50）。本研究识别出TKX-50独特的非协同爆轰行为，该行为可能源于其爆轰产物中大量碳氮团簇的形成。这些团簇通过降低气态组分的内能和分子数来降低能量释放效率，从而颠覆了经典的气体主导产物模型。通过构建包含团簇的TKX-50产物状态方程（EOS），计算结果表明TKX-50爆轰产物的绝热膨胀具有独特过程：高压生成后伴随团簇的低压分解。本研究首次准确预测了TKX-50的爆轰参数和做功能力，将计算误差降至经典模型的1/16至1/2。在该EOS指导下，研究人员设计了绕过团簇富集区的高温能量释放路径。理论计算与电化学耦合爆炸实验相结合表明，该路径可能显著增强TKX-50的能量释放，并有望克服"高能低爆"的局限。本研究揭示了可能抑制新型NEMs能量释放效率的关键机制，并为其性能优化提供了科学框架。
自1863年诺贝尔合成硝化甘油以来，含能材料因其瞬时释放大量化学能的能力极大地推动了人类文明和社会进步。尽管已合成多种新型含能材料，但同时实现高爆轰性能和高安全性仍是一项重大挑战。富氮含能材料（NEMs）具有"高能安全"特征：由于N–N键和/或N=N键的高能量以及分子的高密堆积密度而释放大量能量，并因其氢键网络和/或π共轭体系而表现出高稳定性。因此，NEMs研究一直是长期热点，已合成众多NEMs。其中，二羟胺5,5′-双四唑-1,1′-二醇盐（TKX-50）兼具与最强炸药六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）相当的理论爆轰参数和与最钝感炸药1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯（TATB）接近的实验安全特性。TKX-50是一种四嗪环离子盐，具有N–N、N=N和N–O等高能化学键，氮质量含量高达59.3%。因此，TKX-50受到广泛关注，被认为是下一代含能材料的有力候选者。
然而，大量研究表明TKX-50表现出"高能低爆"特征：尽管爆轰能量高，但能量释放效率仍低于理想水平。含能材料的爆轰能量和总做功能力通常通过爆热和爆容评估，而能量释放效率通过CJ参数和金属加速能力评价。实验测量表明，TKX-50的爆热（4.9 kJ/g）与HMX（5.6 kJ/g）相当，而其爆容（826 L/kg）超过HMX（738 L/kg）。这些发现与经典模型预测吻合良好，证实TKX-50具有高爆轰能量和总做功能力。然而，实测的CJ参数和金属加速能力远低于经典模型预测，使其性能仅与常用炸药环三次甲基三硝胺（RDX）相当。尽管经典模型能够准确预测众多CHNO炸药的CJ参数和金属加速能力，但在应用于TKX-50时普遍表现出显著偏差。使用EXPLO 5代码、CHEETAH代码和经验公式计算的TKX-50的CJ参数通常落在以下范围：爆速（D）为9.6–9.7 km/s，压力（P）为40–42 GPa，温度（T）为3700–4000 K。Gottfried、Zhang、Xing、Liu、Tan和Yang等人的实验测量给出D约为9.3 km/s，P约为33 GPa，T约为3200 K。虽然计算的D显示出相对较小的误差（3.32%–4.58%），但P（20.52%–27.75%）和T（10.53%–29.78%）的误差要大得多，且缺乏合理解释。Golubev等人的早期研究认为TKX-50应表现出优于RDX的金属加速能力。然而，Liu和Tan等人报道TKX-50在这方面远逊于奥克托今（HMX），甚至不如RDX。
经典模型假设炸药能量释放过程具有上限效率。因此，TKX-50的实际爆轰能量释放效率被证明非常不理想。此外，添加高焓组分或氧化剂等传统方法仅使TKX-50的能量释放效率获得有限提升（10%–15%）。这表明抑制其爆轰能量释放效率的原因相当复杂，不能简单归因于其组分中的氧 deficiency。目前，除TKX-50外的新型NEMs有限，无法进行宏观尺度爆轰测试，迫使研究人员依赖经典模型预测。鉴于TKX-50表现出NEMs的典型特征，其"高能低爆"行为及相关的能量释放效率提升困难可能代表未来NEMs应用的普遍挑战。因此，阐明这一潜在机制并开发释放TKX-50高能潜力的策略是爆轰物理和含能材料研究中的关键问题。
目前，已提出两种假说——生成焓（ΔHf）降低和气体组成差异——来解释"高能低爆"行为。ΔHf反映炸药的初始能量含量，并与其CJ状态正相关。报道的TKX-50的ΔHf已从早期的高计算值（367.0–446.6 kJ/mol）演变为最近测得的较低值（210–213.4 kJ/mol），而经典模型对TKX-50的预测依赖于高计算值。鉴于ΔHf现已降至其初始值的一半左右，这是否能显著降低计算误差？这目前被认为是可能性较高的因素。Liu和Yu等人提出TKX-50的爆轰产物以小气体分子为主，较大分子（如H2O、N2）含量较低，从而降低金属加速能力。然而，根据高速发射理论，较小分子在加速过程中消耗的动能较少，因此应更有利于做功输出。最近，Tan等人提出分子比热对爆轰流场的复杂响应可能是"高能低爆"现象的原因。这些结论主要是定性的，需要进一步深入验证。
爆轰产物的状态方程（EOS）控制着炸药的能量释放过程。理论上，所有爆轰能量释放量——如CJ状态、产物的绝热膨胀曲线（决定金属加速能力）、爆热和爆容——都可以从爆轰产物的EOS导出。爆轰产物EOS中的物种和相组成被假定对应于最低能量状态。因此，EOS被认为提供了能量释放的上限估计。鉴于经典模型准确预测爆热和爆容却显著高估能量释放效率的矛盾，CJ状态附近爆轰产物的物种和相组成似乎很可能远离理想状态。这一推断得到了实验观测到的Jones–Wilkins–Lee（JWL）EOS对TKX-50失效的支持。JWL EOS是应用最广泛的爆轰产物唯象EOS。Tan等人利用CJ状态后20 μs内的圆筒试验数据校准了TKX-50的JWL EOS，然后将其用于模拟CJ状态后3 μs内的炸药驱动铜箔（EDC）实验。这种类似插值的计算竟然导致与TKX-50实验数据相比近20%的偏差，而HMX和RDX的偏差小于2%。JWL EOS对TKX-50的失效表明TKX-50的产物EOS应遵循非理想演化模式。
本研究试图解释TKX-50"高能低爆"行为背后的物理机制。研究人员首先验证了生成焓降低不是主要原因。随后，研究人员识别出TKX-50独特的非协同爆轰行为，揭示了其爆轰产物与经典气体主导假说的显著偏差。据此，研究人员引入了新的碳氮（C–N）团簇假说用于TKX-50的产物EOS。研究人员构建了C–N团簇的EOS以验证其对TKX-50能量释放效率的有效性，并设计了一种通过绕过团簇富集区来增强能量释放效率的方法。这一工作为克服TKX-50的应用瓶颈提供了理论支持，并为NEMs的效率提升和快速筛选建立了科学框架，具有重要的科学和工程价值。
研究人员采用DLCHEQ代码计算了TKX-50在理论和实验生成焓下的CJ参数，以验证生成焓降低是否为"高能低爆"现象的主要原因。DLCHEQ是一种基于Ross修正的硬球变分理论的热化学产物EOS代码，考虑了众多气体物种（H2O、N2、CO2、CO、H2、O2、NH3、CH4）以及碳团簇。研究人员提出了一个无量纲"协同爆轰效率因子"Φ（其中ρ0为炸药初始密度，γ为爆轰产物的多方指数），基于气体多方EOS和CJ爆轰理论，Φ理论上等于1。研究人员总结了五种经典炸药（RDX、HMX、TATB、季戊四醇四硝酸酯（PETN）和三硝基甲苯（TNT））以及TKX-50的计算和实验CJ参数，经典炸药的Φ始终接近1，偏差一般在?11%–5%范围内。然而，由于TKX-50测得的高爆热但低爆压，其Φ值仅为0.7–0.8，揭示出独特的非协同爆轰行为。相反，基于气体主导假设计算的TKX-50的Φ值为0.95和0.85，比测量值高约15%。因此，气体主导假说应是长期以来TKX-50爆轰性能预测不准确的直接原因。非协同爆轰行为的直接原因是爆速与爆压之间的异步变化。研究人员大胆挑战经典气体主导理论，提出新假说：TKX-50产物中存在大量C–N团簇，因为C–N团簇可以大幅降低气态组分的内能和分子数，从而降低TKX-50的能量释放效率。值得注意的是，虽然碳团簇通常存在于爆轰产物中，但TKX-50的问题主要不能归因于碳团簇化。TATB产物含有大量碳团簇，其Φ偏离1的程度在常见炸药中最大，但偏差仅约10%，表明碳团簇效应的上限应约为10%。因此，TKX-50中20%–30%的Φ偏差很可能归因于一种新的固相，其降低能量释放效率的能力远超碳团簇，这恰好与C–N团簇的特征吻合。与碳团簇不同，C–N团簇具有多原子性质，且富含碳和氮。根据固体德拜理论，分子的内能与原子数正相关。因此，一个C–N分子比一个碳原子具有高得多的内能，使其在降低气态产物内能方面更有效。此外，碳团簇的形成主要抑制碳相关气体（如CO2、CO）的生成，而C–N团簇的形成抑制更广泛的气体（如N2、H2O、CO2）的生成。直接观察C–N团簇因爆轰流场的极端瞬态性质而困难。然而，键能分析和反应分子动力学（RMD）模拟均支持其合理性。TKX-50表现出比典型炸药显著更强的C–N键，这阻碍了C–N键断裂并促进C–N大分子的形成。这些大分子随后通过范德华相互作用在后期阶段聚集成C–N团簇。Yu等人计算出TKX-50的C–N骨架嵌入双四唑阴离子的芳香共轭网络中，C–N键的共振杂化赋予其部分双键特征。因此，这些键的断裂需要先破坏杂环，使得C–N和C=N键强度显著高于N–N和N=N等其他化学键。尽管RDX在其杂环中也含有C–N键，但这些键是分子框架中最薄弱的环节之一，通常在分解早期阶段断裂。Zhao、Wang和Ren的RMD模拟揭示TKX-50的最终分解产物含有各种主要由碳和氮组成的大分子。Liang发现高压延长了C–N键解离时间并增加了N2形成的活化能，从而延缓C–N大分子分解为气体并有利于团簇形成。
由于直接模拟或实验研究C–N团簇面临相当大的困难，RMD模拟受反应力场精度和聚集动力学模型局限性等因素影响，其可靠性最终取决于实验验证。尽管已开发多种技术来表征爆轰产物，但其实际适用性仍然有限。因此，研究人员不是直接研究C–N团簇，而是通过考察常见C–N化合物的高温高压（HTHP）稳定性来识别潜在的C–N团簇组分，并基于CJ参数校准团簇EOS以构建TKX-50的产物EOS。在常见报道的C–N化合物中，C2N2和C3N3是可燃易爆气体，C3N4是可燃易爆液体，它们在高温下均不稳定。C3N4目前大多见于文献计算但尚未合成。根据C3N4相图，正交相（β-C3N4）是HTHP条件下最稳定的相之一。因此，研究人员假设C–N团簇由β-C3N4组成。研究人员构建了β-C3N4晶体的经典多项式德拜EOS，其可靠性已通过实验数据验证。为简便起见，下文"C3N4"指β-C3N4。团簇的较低密度使其热力学状态与晶体不同。由于尚无成熟的团簇EOS构建方法，研究人员计划修改晶体EOS中的密度来构建团簇EOS。由于EOS中的密度贡献以V0的形式出现（V0为晶体在0 K下的比容），减小V0等同于降低密度。因此，研究人员降低V0以模拟团簇的低密度状态，并以晶体EOS的V0（V00）为参考。在EOS研究中，在5%容差范围内调整物理参数是科学合理且广泛采用的实践。在此范围内的变化是可接受的，因为它们保留了主要物理特征，同时允许由尺寸、表面和缺陷效应引起的某些参数变化。因此，研究人员设置了V0在V00的100%至95%范围内的6个梯度值，以确保团簇EOS修改的物理意义。研究人员计算了耦合各种V0团簇EOS的TKX-50产物的Hugoniot曲线，最小点对应于CJ点。当V0从95.5% V00降至95% V00时，Hugoniot曲线和CJ状态出现显著下降。这一下降的幅度大致与C3N4团簇的含量成正比，C3N4团簇主要通过以下反应形成：C3N4团簇的形成消耗两倍摩尔量的N2且为吸热反应。因此，较高的团簇含量降低了气态产物的内能和数量，自然降低了Hugoniot曲线和CJ参数。研究人员比较了DLCHEQ计算的CJ参数与实验值和经典模型预测。由于不同实验中TKX-50的初始密度不同，研究人员使用经典Kamlet公式将不同初始密度下测得的D和P转换为对应理论最大密度下的值。研究人员取所有实验值的平均值作为比较模型的标准。当V0设为95.0% V00时，D、P和T的误差分别为2.00%、–1.70%和–1.16%，仅为其他模型的1/16至1/2。这项工作首次实现了TKX-50全部三个CJ参数的准确预测，解决了长期存在的理论难题。因此，通过设置V0 = 95.0% V00构建了C3N4的团簇EOS。尽管研究人员已使用实测CJ参数校准了团簇EOS，但研究人员认为此过程同时作为团簇EOS模型可靠性的验证，原因有二：第一，在5%范围内调整V0具有坚实的物理基础；第二，尽管长期努力，尚无现有模型能够同时足够准确地预测全部三个CJ参数，这表明只有真正可靠的物理模型才能实现这种同时预测。需要指出的是，本工作的核心目的是使用团簇的等效模型（而非精确描述团簇的真实结构和状态）来揭示TKX-50"高能低爆"行为的关键机制。因此，经实测CJ参数验证的校准C3N4团簇EOS在爆轰能量释放方面实质上等效于真实团簇的EOS。
JWL EOS对TKX-50的失效表明其产物的绝热曲线遵循非理想演化机制。为揭示C–N团簇对绝热曲线的影响，研究人员计算了绝热曲线。以计算得出的CJ点（P = 32.63 GPa）为起点，计算了绝热曲线。为比较，研究人员将JWL EOS拟合到实测圆筒试验数据。计算得到的绝热曲线在低压下接近JWL EOS，但在高压下较低，最大偏差约7%。此外，气体主导特征使JWL EOS非常平滑，而计算得到的绝热曲线在约25 GPa处出现拐点。根据组成结果，该拐点源于C3N4团簇在25 GPa处的分解。由于团簇形成使N2含量降低31.8%并吸热，在25 GPa以上做功能力受到显著抑制。因此，C3N4团簇的形成-分解演化对TKX-50的能量释放效率起着重要作用。为验证理论绝热曲线的可靠性，研究人员将其用于计算圆筒试验，计算的外壁位移与实验值吻合良好，最大误差约1.5%。在EDC实验中，测量炸药装药端部铜箔的粒子速度以研究爆轰反应区及产物后续早期绝热膨胀特性。研究人员构建了EDC实验的数值模型，并使用JWL EOS和理论绝热曲线分别计算速度。计算冲击起爆过程不仅需要产物EOS，还需要未反应炸药的EOS和反应动力学模型。研究人员使用先前获得的Hugoniot数据构建了未反应炸药的EOS。目前关于TKX-50冲击起爆反应动力学的研究有限。因此，研究人员采用三种反应速率以消除反应动力学对产物EOS的影响：RDX-8701的Lee–Tarver模型代表快速反应，CJ体积燃烧模型（CJV模型）通过修改其关键参数（0.01和0.05）代表中等和慢速反应。使用JWL EOS计算的速度接近高估的文献值，在2.5 μs处最大误差为17.5%。结果还表明，尽管反应动力学对速度剖面有显著影响，但理论绝热曲线大幅降低了计算误差。不同反应速率计算的速度在1.5 μs之前差异显著，但此后收敛于实验值。这表明前1.5 μs内的速度主要受爆轰反应区控制，而1.5 μs后的速度主要由产物EOS决定。1.5 μs后的最大误差仅为2%–3%，显著低于JWL EOS，进一步验证了理论绝热曲线。圆筒试验中较大的金属-炸药比（4.58）导致产物对低压区的机械响应远快于高压区。因此，JWL EOS主要使用低压区数据校准，而其在高压区的准确性很大程度上取决于其函数形式。相比之下，EDC试验中的金属-炸药比仅为圆筒试验的0.32%，大大增强了对高压区的敏感性，从而放大了JWL EOS在高压下的误差。总之，"JWL EOS对TKX-50失效"的核心原因有二：（i）经典气体主导的JWL EOS无法描述TKX-50爆轰产物的复杂行为，即C3N4团簇的高压生成后低压分解；（ii）传统圆筒试验对高压区的敏感性不足。因此，未来NEMs产物EOS研究应设计低金属-炸药比的新实验以更好地捕捉产物EOS的高压特性。按照文献中的爆热和爆容测量实验方法，研究人员使用DLCHEQ代码计算了TKX-50在300 K和比容740 cm3/g（对应0.7 atm）下的产物组成。然后通过盖斯定律获得爆热，并按照中国军用标准GJB 772A-1997规定的方法确定爆容。DLCHEQ计算的爆热和爆容与实验数据吻合良好，偏差分别仅为0.41%和3.35%，优于经典BW法和L-C法。差异可能归因于实验TKX-50样品中存在少量粘结剂。研究人员进一步比较了不同方法获得的CJ状态和环境条件下的产物组成。TKX-50的CJ点与环境近大气条件之间的组成差异主要表现在C、N2和C3N4上，H2O含量仅有微小变化。如上所述，在环境近大气压下，C3N4的分解释放大量能量和N2，使产物达到气体主导状态。因此，产物组成与BW法预测一致，主要由H2O、C和N2组成。
由于团簇富集降低了TKX-50的能量释放效率，研究人员绘制了C3N4团簇摩尔浓度（与效率成反比）在1000–8000 K和5–50 GPa范围内的分布图。该能量释放效率图使研究人员能够设计避开团簇富集区的路径。在该图中，团簇富集区以高压（>25 GPa）和宽温度范围（1000–6000 K）为特征，占据图右下部分的大面积区域——被指定为"低能量区"。在该区域内，三个C3N4含量最高的柱状区域存在于27–35 GPa和40–50 GPa的压力范围内。TKX-50的CJ点（绿点）及其绝热曲线的高压段（绿色虚线）均落在这些区域内。由于添加高焓组分或氧化剂对CJ状态影响很小，传统方法仅能获得边际增强。根据两种加载方式（气炮和电化学耦合爆炸）产生的极端爆轰状态，研究人员设计了两种绝热路径：超压路径和超温路径。气炮可以产生高于CJ点的超Hugoniot状态。然而，超Hugoniot线、从超Hugoniot线上50 GPa点开始的超压路径以及从CJ点开始的绝热曲线都非常接近。这表明对应于超Hugoniot状态的产物绝热曲线的高压段位于C3N4团簇的高含量区域内，理论上导致低能量释放效率。在电化学耦合爆炸中，大电能的瞬时输入产生高温（接近或超过10^4 K）和高压（数十GPa）金属等离子体，然后通过冲击波、热场和辐射场的耦合作用点燃炸药。电化学耦合爆炸的主要优势在于其强烈预热炸药至远高于CJ温度的非典型爆轰状态——例如将产物加热至高达12000 K——相应的绝热曲线可以避开团簇富集区。因此，电化学耦合爆炸是释放TKX-50高能潜力的有前景的候选方案。尽管该技术研究已历时约80年，但产物的非典型爆轰状态仍未完全理解。据此，研究人员假设电能瞬时输入TKX-50的CJ状态，在保持压力不变的情况下完全提高产物温度。研究人员设计了一条超温路径（实心黄圆，从6934 K开始），其绝热曲线（空心黄圆）避开了团簇富集区。为比较不同路径的能量释放效率，研究人员计算了四种路径的绝热曲线：超压、超温、TKX-50的CJ爆轰（CJ-TKX-50）和RDX的CJ爆轰（CJ-RDX）。计算了沿绝热曲线的能量输出（E），结果表明超温路径表现出突出的做功能力，尽管其高压区远小于超压路径。考虑到产物所做的功主要发生在V/V0 < 20的阶段，研究人员取功能量为W20。超压和超温状态均通过向CJ状态（E0）提供额外能量实现，计算了输入能量利用效率η。η是路径相关的，沿超压路径的值等于其起点与CJ点之间的内能差。由于冲击加载的特殊性质，超压路径同时提升CJ点的内能和动能。内能增量与超压计算方法一致，而动能增量对应于超压起点动能（对应粒子速度2.69 km/s）与CJ点动能（对应粒子速度1.8 km/s）之差。超温路径比超压路径表现出更高的做功能力和更高的输入能量利用效率。与CJ-TKX-50和CJ-RDX相比，超温路径的W20分别是这两种路径的2.04倍和1.75倍，显著优于超压路径（1.34倍和1.15倍）。传统方法将能量释放效率提高约1.1–1.15倍，仅为超温路径实现的增强的9%–14%。与超压路径相比，超温路径仅将W20提高23.7%，但将η提高52.5%，实现了2.22倍的正增益。这表明高温改进策略可以高效利用输入能量来释放TKX-50的高能潜力，从根本上克服"高能低爆"缺陷。研究人员进行了电化学耦合爆炸实验以验证超温路径。辐射是表征能量释放效率的重要量，研究人员先前的研究表明TKX-50电化学耦合爆炸后发光强度与相应空气冲击波之间存在单调关系。随着电压从20 kV增加到30 kV，辐射峰值强度（以光谱仪计数计）和辐射能量（由光谱仪校准）先缓慢增加然后快速上升。同时，空气冲击波的峰值压力呈线性增加趋势，压力波能量遵循与发光强度相似的增长模式。在验证试验中，电爆炸平台充电至35 kV以储存2450 J能量。一根细铝丝穿过0.18 g致密炸药，然后在铝丝两端施加瞬态放电以触发爆炸。研究人员在相同的相机位置和设置下测量了TKX-50、HMX和RDX的辐射演化，以确保辐射数据的可比性。先前的研究表明炸药在丝爆后2–3 μs开始爆轰。因此，3.92 μs后的发光主要来自爆轰产物。TKX-50的辐射强度（产物灰度值之和）和辐射峰值强度（最大灰度值）远高于HMX和RDX。定量分析表明，TKX-50相对于HMX和RDX的最大比值分别为辐射强度2.05和辐射峰值强度3.6。因此，电化学耦合爆炸实验表明超温路径可能释放TKX-50的高能潜力，产生远超RDX和HMX的能量释放效率。尽管发光强度与相应空气冲击波之间的强相关性已初步证明，但辐射受多种因素影响。因此，需要更多数据（如冲击波压力测量）来确认电化学耦合爆炸有效增强TKX-50的能量释放效率。研究人员的下一个目标是进行系统和全面的实验诊断，以证明电化学耦合爆炸技术可以克服TKX-50的"高能低爆"缺陷。值得注意的是，尽管电化学耦合爆炸实验在空气中进行，但观察到的强发光没有来自爆轰产物与周围氧气之间氧化反应的贡献。研究人员计算了TKX/高氯酸铵（AP）混合物的产物浓度分布，以研究添加氧是否可以抑制C3N4的形成。TKX-50的氧平衡为?55.6%。当TKX与AP的质量比为7:3时，混合炸药的负氧平衡显著降低至?17.7%。如果增加氧含量可以抑制C3N4的形成，TKX/AP（70/30）产物的C3N4浓度分布应与TKX-50显著不同。然而，计算结果表明混合炸药的C3N4浓度分布与纯TKX-50没有显著差异，仅在20 GPa附近略有降低。这与Tan等人的实验结果一致，表明C3N4在广泛的温度和压力范围内具有极低的能量，其氧化态在能量上更加不稳定。即使将AP直接添加到炸药中，C3N4也不会显著氧化。因此，在爆轰产物膨胀过程中，C3N4不能被周围大气中的氧气氧化，因为氧气从周围大气传输到C3N4的效率远低于直接将AP掺入炸药所达到的效率。
TKX-50的"高能低爆"现象挑战了经典爆轰理论，因为它不能归因于实测生成焓的降低。阐明被抑制的能量释放效率因此构成NEMs研究的前沿问题。本研究揭示TKX-50表现出独特的非协同爆轰行为，源于其产物EOS与经典气体主导状态的显著偏差。因此，研究人员提出在爆轰产物中形成大量C–N团簇，颠覆了气体主导理论。C–N团簇的多原子、富碳富氮性质降低了气体内能和分子数，降低了做功效率并导致"高能低爆"现象。基于常见C–N化合物的HTHP稳定性分析，研究人员确定β-C3N4为最可能的团簇分子。通过将晶体EOS中的比容参数修改5%，研究人员构建了C3N4 EOS，进而构建了TKX-50的产物EOS。计算揭示了TKX-50爆轰产物绝热膨胀过程中25 GPa以上C3N4积聚后低压分解的独特过程。这一发现同时解决了两个长期存在的问题：CJ状态的不准确确定和JWL EOS的失效。产物EOS预测TKX-50的CJ参数和做功能力的误差范围为1.7%–3.0%，仅为经典模型的1/16至1/2，从而验证了C–N团簇假说。在25 GPa以上，大量C3N4团簇将产物绝热曲线拉至气体主导的JWL EOS以下，导致JWL EOS对TKX-50失效。在25 GPa以下，C3N4完全分解为N2和C。因此，在环境温度和压力附近，TKX-50的产物主要为H2O、N2和C，再次满足经典气体主导假说。研究结果还表明，未来NEMs研究应采用低金属-炸药比的实验以更好地捕捉产物EOS的高压特性。传统策略（包括添加高焓添加剂或氧化剂）对TKX-50能量释放效率的提升仅有限。利用其产物EOS，研究人员绘制了C3N4团簇的相对摩尔浓度图，发现只有7000 K以上的温度才能显著降低团簇含量。由于热效应不足，超压路径仍然穿越团簇富集区，产生的改进与传统方法相当。研究人员设计了超温路径以绕过该区域。与超压路径相比，它将输入能量利用率仅提高23.7%，但将做功能力提高52.5%，分别达到RDX和TKX-50在CJ爆轰下做功能力的1.75倍和2.04倍。由于电化学爆炸技术的强预热能力满足超温路径的要求，研究人员进行了该实验，发现TKX-50产物的辐射强度比HMX和RDX高2.05–3.6倍，初步验证了超温路径可能克服"高能低爆"局限。本研究揭示了TKX-50"高能低爆"行为的核心机制，为克服其应用瓶颈提供了理论支持。此外，它建立了增强新型NEMs能量释放效率的科学框架。
