东方的爆裂

鸿鹄

在2017年度国家科学技术奖评选中，王泽山院士与侯云德院士获国家最高科学技术奖。对南京理工大学王泽山院士的奖励，是为了表彰他在火炸药研究领域的卓越贡献。中国是黑火药的起源地，也是现代火炸药技术的后起之秀。因此，王院士的获奖具有非常重要的意义。

火炸药与含能材料的基本概念

黑火药的起源，最早可以追溯到春秋时期。范子计然说“硝石出陇道”，说的就是黑火药的三大组成之一的硝酸钾。而到唐末宋初，将硝酸钾、木炭和硫磺按照一定比例混合成黑火药就开始用于战争，可以认为是一种简单的炸药。

随着现代新兴科學技术的高速发展，越来越多的新型含能物质及其复合物被发掘和使用，所以含能材料也有了新的定义：含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物，能独立地进行化学反应并输出能量的化合物或混合物。

而今，因为现代武器、航空航天等国防工业领域的需要，火炸药也不断发展，而追求高能量密度、高能量释放速率、高力学性能，同时能以简单的方法获取，而且成本低，安全性高（低感度）的含能材料一直是科研工作者的目标。

含能材料技术落后就要挨打

火炸药在弹药中有广泛应用。以普通的炮弹为例，弹丸战斗部里装的是高性能炸药，引信里装的是火工药剂和传爆药，发射药筒里装的是发射药，底火中装的则是发火药和传火药。炮弹被击发以后，发火药首先燃烧，点燃传火药，再点燃发射药。发射药燃烧作功将弹丸推出炮膛。炮弹遇到目标后，引信被触发，引爆炸药，最终摧毁目标。各种类型的导弹亦是如此，只不过发射药并不会在发射装置里燃烧完，而是在飞行过程中持续燃烧。

战斗部和动力部分使用含能材料的性能高低影响炮弹、导弹的综合威力。所以近现代战争史也是含能材料的发展史。一国在含能材料领域的突破性进步甚至能左右战争的结局。

◎雷汞

近代中国在军事科技上的落后，也体现在火炸药制造和使用水平上。鸦片战争时期，英军就开始装备燧发式火枪。它利用金属片与燧石互相敲击点火的点火方式，相比当时清军主要装备的火绳枪要优越很多。因为火绳枪需要点火发射，有较长的引线，在雨雾天效能极差。而燧发枪是摩擦燧石，不易受到恶劣天气的影响。当时的英军还部分装备了雷管枪，由扳机敲击雷管，使其中的雷汞爆炸而引火点燃推进药。就当时的火枪和引爆药水平而言，清军比英国的技术落后一到两代。

雷汞属于炸药中的起爆药，是1779年由英国化学家霍华德发明的。发明之后很快就被西方国家用于配制火帽击发药和针刺药。雷汞的应用某种程度上也是现代化学炸药应用于战争的开端。

◎下濑火药

日本人发明的下濑火药是基于著名化学炸药苦味酸（2，4，6-三硝基苯酚）制成的。它不仅会形成冲击波和炮弹碎片，还会在爆炸中心产生高达上千摄氏度的大火。当时舰船上的钢铁都能被烧穿。这种火药爆炸形成的火焰会四散流动，即使在水中都能持续燃烧一段时间。近失弹爆炸产生的高温照样能破坏船体。下濑火药爆炸时会并发有毒黄色烟雾，也可以给船上船员以极大杀伤。

◎TNT炸药

伴随着威力更加强大的梯恩梯（TNT：三硝基甲苯）炸药的出现，苦味酸逐渐被取代。TNT是一种威力更强而且更稳定的炸药，即使是被子弹直接击中也不会爆炸或者燃烧，必须要用雷管进行引爆。因为其安全可靠，它在20世纪初开始广泛用于军事上装填各种弹药和工业上的采矿、筑路、兴修水利、工程爆破、金属加工等。直到第二次世界大战结束，梯恩梯都可以称得上是综合性能最好的炸药，因此也赢得了 “炸药之王”的美誉。与黑火药相比，它的爆炸能提高了足足四倍。

抗日战争时期的日本已经能大量的生产和使用TNT。而当时中国工业积累严重不足，即使能够生产TNT，也因为产量不足、质量不过关等原因，难以大量应用。所以当时中国国产弹药在威力方面远远不如日本，甚至八路军敌后部队还在使用黑火药发射的土枪土炮。这也是抗战武装斗争极为漫长艰苦的原因之一。

超高能含能材料的发展

当前国内外有关含能材料研究的目的，就是如何让枪弹、炮弹和导弹等具有更远的射程和更大的毁伤效果。而降低含能材料的成本等，也是很重要的研究目标。

现代含能材料的研究大致经历了三个阶段：第一阶段是20世纪50年代到60年代末期。为了将含能材料应用到导弹核武器和航天技术中，高能含能材料的合成和制造成为含能材料研究和发展工作的重点，代表性的是各类型的硝酸酯基化合物、高氮化合物、硼氢化合物、金属及其氢化物、新型高氯酸盐等。第二阶段是70年代到80年代末期。从大幅度提高能量、片面追求单一指标向适度提高能量改进综合性能（安全可靠性，经济实用性等）的方面转变，并且取得了实际进展。第三阶段是90年代后。这个阶段新概念不断提出，各种新技术手段被应用到各种新含能材料的合成中。同时发现和认识了一些新型超高能含能材料，代表性的是多孔硅含能材料、C60、N60原子簇等等。

进入21世纪以来，超高能含能材料因实现能量的惊人突破而受到越来越多国家的高度重视。与传统的含能材料或者常规炸药的单位体积重量的含能量（通常为103焦耳每克） 相比，超高能含能材料提高了至少一个数量级。超高能含能材料目前主要分为两大类。首先是基于化学能的一类。其能量水平为104～105焦耳每克。代表性的是纳米铝、纳米硼、纳米多孔硅等高活性储能材料、金属氢及氮原子簇类的全氮物质等。其次是基于物理能的一类。能量水平在105焦耳每克以上，如亚稳态核同质异能素、反物质材料等。九十年代，美军牵头推出了围绕“高能量密度物质”计划、 “国家先进含能材料研究倡议”计划 等多项重大发展计划，率先取得了突破性进展。目前美、俄处于国际领先地位，在高活性全氮物质、金属储能材料和核同质异能素等方面的研究上率先取得重大突破。超高能含能材料一旦获得应用，无疑将会和当年的梯恩梯一样，在武器装备方面迎来重大变革，甚至可能引发新一轮的军事变革，从根本上改变战争形态和作战样式。

◎全氮材料合成研究

美国于1998年成功获得了离子型全氮化合物N5+，该物质以不到0.2克的质量炸烂了实验的一个通风橱。此后又获得了其他13种含N5+的盐类化合物。后续推出了N8、N60等全氮原子簇的研制工作，其爆炸能量达到TNT炸药的3～10倍当量。在聚合氮制备技术有一定成果之后，2009年，美国陆军开始研究该类型材料的低成本制备方法及大批量制备工艺技术。

◎基于高活性金属储能材料的实用炸药

美国成功将含纳米铝的温压炸药装备到了巨型空爆炸弹——“炸弹之母”（装药8.5吨），采用云雾爆轰方式，爆炸威力相当于11吨TNT当量。正在研制的基于高活性硼燃料的高威力巨型炸弹则有88吨TNT当量的爆炸威力。此外，美国陆军则在加速将这种材料开发成先进高能量密度发射药。而美国空军则在研究聚合氮和纳米铝的界面作用，以制成高性能的复合炸药。

◎大力发展核同质异能素

相比于传统的化学能类含能材料，基于物理能的超高能含能物质可能更具有革命性创新意义。其中核同质异能素技术最有可能首先进入实用。相比于传统的含能材料，其能量提高了两个数量级。美国国防部已将该技术列入军用关键技术清单。美国当前重点研究的亚稳态核同质异能素可能包括铪-178、锇-187、钇-186、钽-180和锌-66等。其中铪-178在美国空军研究实验室已获万分之一克产量，目前正在研发基于此的铪弹（伽玛射线武器）。

俄罗斯则于近年启动了国家级的“创建新型高能材料的基础研究计划”，侧重点主要集中在全氮高能材料和高能高活性金属储能材料的研究与发展。如爆炸威力是美国“炸弹之母”4倍的“炸弹之父”，就采用了7.1吨高活性金属高能材料，其威慑力不亚于小型核武器。全氮化合物方面，成功获得了以立方体氮原子框架结构存在的全氮化合物。除美俄外，德国、瑞典、印度、以色列和日本等国也在加速研究超高能含能材料技术。

建国初期，我国首先开始对苏联等国外成熟产品的仿制，探索从芳香类合成物到杂环化合物的合成路径，并开始进行相关理论的研究攻关以指导含能材料的合成制造。同时积极学习西方先进理论和技术，掌握了相当于美国H6炸药的制备工艺，而H6含铝炸药与GBU-43“炸弹之母”的装药类型相同。

进入新世纪以来，我国在科研方面投入了大量资金，含能材料的研究也取得了较快的发展，超高能材料的研究也取得了一定的进展。比如中国工程物理研究院化工材料研究所与重庆大学合作发现纳米多孔硅/硝酸盐复合材料具有较好的爆炸性质。而黑索金（RDX）基复合炸药中加入纳米铝粉后，复合炸药的作功能力比含微米铝粉的复合炸药明显提高。此外，全氮材料因为具有高密度、高生成焓、超高能量及爆轰产物清洁无污染等优点，被寄予厚望，我国在此方面的研究处于世界前列。

南京理工大学陆明教授课题组2017年发表在国际顶级期刊自然杂志的一篇文章《系列水合五唑金属盐含能化合物》，体现了含能材料领域新的研究成果。所合成的全氮阴离子盐N5-，是全氮类高能材料中重要的前体物质。这项成就如果应用于火炸药，将有希望提高我国武器装备整体性能。

王泽山院士的贡献

王泽山院士是中国火炸药学科带头人，发射装药理论体系的奠基人，是中国人的“火药王”。授予王院士的国家最高科学技术奖，就是为了表彰他在火炸药领域内取得的巨大成就。他曾三次获得国家科技大奖。

◎全等式模块装药技术

王院士2016年获得的国家技术发明一等奖主要归功于具有普遍适用性的远射程与模块装药技术。火炸药在火炮上应用，除了本身的爆炸性能外还有重要的一点，就是其使用效率。目前世界各国155毫米火炮多采用模块化装药。模块化装药分为单模块（也称“全等式”）和双元模块（也称“不等式”）两种。发射时，根据火炮实际需求的不同射程，往炮膛内填进不同数量的装药模块。近射程用1-2个装药模块，远射程火用5-6个模块的全号装药。但 “全等”模块装药在过去很难实现。这是因为火炮的膛压和初速与发射药量是非线性关系。满足全号装药时的内弹道指标，就会在使用最小号装药时出现燃烧不完全，导致威力不够。如果为了满足最小号装药的內弹道指标，使用全号装药时又会出现膛压超限的情况。

在王院士之前，各国的火炮基本采用“双模块装药”模式，将发射药分为两种模块（不同颜色体现），比如1号和2号发射药一种颜色，3/4/5/6号发射药则为另一个颜色，不同模块的燃烧效率不同不能混用。

这种模式在装药发射前，需要在不同的单元模块间进行更换，操作过程繁琐且费时，火炮的效率相对低下。因此，美、英等多国科学家曾联合开展相关研究，想要使用同一种单元模块，只是通过模块数量的不同组合，来实现火炮对于远近射程的自由切换，以提高火炮效率。但最终由于无法突破技术瓶颈，研究无法继续。而王院士则另辟蹊径，创立了装药新技术和相应的弹道理论，经过20年的不懈努力，带领着团队攻克了这一国际军械领域悬而未决的难题，研发出了具有普适性的全等式模块装药技术。

全等式模块装药技术的各个单元模块是完全相同的，能在不改变火炮总体结构和不增加火炮膛压的前提下，通过提高火药能量的有效利用效率来提升火炮的射程。使得中国火炮炮口动能及全面超过其他国家的同类火炮。实际多种武器装备和型号应用表明，使用该技术后火炮的射程能够提高20%以上，最大发射过载降低25%以上。而且降低了火药燃烧产生的火焰、烟气、有害气体，减少了对操作员和环境造成的危害。

◎火炸药资源化再利用

王院士早年还因为火炸药资源化再利用研究成果获得过一次国家科技进步一等奖。与食品一样，含能材料有一定的使用寿命。到期的含能材料，其稳定性和安全性都显著下降，而且大部分含能材料易燃、易爆、有毒，也加大了其处理难度。特别是大量的退役报废弹药，它们在贮存、运输、拆卸和销毁的过程中都充满了危险。传统处理的方法是将废弃的含能材料堆积在远离城市和交通枢纽的露天焚烧场，然后用电点火方式进行远距离引燃操作。虽然该方法简单、经济、投资低、且相对安全，但因此带来的污染问题也不容忽视，美国在七十年代就废止了该方法。为了降低污染，七十年代以后发展了包括焚烧炉焚烧法和生物降解法在内的多种方法处理含能废弃物。但仍然没有做到真正的物尽其用。

目前，各国都在积极研究废弃含能材料的再利用问题。比如说把它转变为化工原料或产品。从含能材料中分离出的各类氧化剂、金属粉、增塑剂等，可以通过后续的化学反应转化为甘油、酒石酸等其他可用的化工产品。而军用炸药、发射药等废弃含能材料，可以制成工业炸药。王院士正是在上世纪九十年代率先攻克了相关的技术难题，让原本的“炸药包”变成了具有重要经济价值的宝贝。

◎降低火炸药环境温度敏感性

王院士另一个国家科技进步一等奖，则是因为他带领团队成功解决了降低武器对环境温度敏感性这个世界军事难题。炸药的燃烧和爆炸过程中的化学反应受温度的影响很大，温度越高，反应速率越快。温度对于发射药燃烧速度的影响，最终会体现在火炮的弹道性能上，使得火炮炮口初速呈现出低温低、高温高的变化。对于追求高膛压高初速的坦克炮，受气温影响就非常明显。原本在南方能轻易击穿装甲的坦克炮，在北方的极寒天气或者高原地区发挥不出应有的效能。所以，研制低温感的火炸药对我我国这种疆域辽阔、南北跨度大、地貌复杂的国家是尤为必要的。

为解决这个问题，国际上通常采用化学和物理两个途径。化学上，通过添加铅、铜的氧化物等，作为燃速催化剂，利用这些添加剂降低燃速温度系数，减小温度对发射药燃速的影响。物理上，可利用发射药物理性能与温度的相关性。发射药强度会随温度变化，低温下火药下强度变差，因此可以用这种原理来加快火药破裂、增加燃烧面积，从而提高燃速速度。

而王院士独辟蹊径，利用燃料的补偿效应，建立了一个随着温度升高自然下降的补偿系统（可认为是一种对高温更敏感的阻燃剂）。通过与火药系统的综合，使其燃烧性能对温度的变化不那么敏感，具体包括低温感包覆火药混合装药的概念和破孔增燃补偿与使用同材质包覆层的理论。该装药由制式发射药主装药和包覆药按一定比例组成，包覆药外层中含有阻燃剂（锐钛型二氧化钛），本身能满足低温感技术的要求。在高温下（800℃左右），锐钛型二氧化钛会发生晶型转变，从而吸收部分热量，进一步起到了钝感及阻燃的作用。另外，采用发射药燃面和燃速调控的技术，也就是所谓的破孔增燃补偿，达到了各温度下燃气生成速率的恒定。这样，让火炸药在不同温度条件下都能以同一速率燃烧。这项发明的核心技术，在各方面处于国际领先。

王泽山院士的成就，不但使中国的火炸药生产和研究达到了世界先进水平，也证明了中国人通过自己创新出相关的技术和理论，能够解决外国人解决不了的技术难题。这对于各個领域的科研和自主创新活动，都具有积极意义。