含能材料學(xué)科發(fā)展報告
　　一、引言
　　含能材料是一類含有爆炸性基團或含有氧化劑和可燃劑、能獨立進行化學(xué)反應(yīng)的化合物或混合物。含能材料主要應(yīng)用于陸、海、空及二炮各類武器系統(tǒng)，是完成發(fā)射、推進和毀傷的能源材料。
　　黑火藥是中國古代四大發(fā)明之一，是現(xiàn)代含能材料的始祖，是高功率化學(xué)能應(yīng)用的先驅(qū)。黑火藥的出現(xiàn)促成了武器從冷兵器時代向熱兵器時代的跨越。
　　隨著近代兵器科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，含能材料在兵器中的做功形式、組成和功能出現(xiàn)了差異，逐步被細(xì)分為發(fā)射藥、固體推進劑、炸藥和火工煙火藥劑，并在軍事上和民間應(yīng)用的需求驅(qū)動下逐步形成了各自的研究與應(yīng)用領(lǐng)域。發(fā)射藥是槍炮彈丸的發(fā)射能源，固體推進劑是火箭和導(dǎo)彈的運載動力能源，炸藥是爆炸做功能源，火工藥劑主要用于火炸藥燃燒或爆炸的引發(fā)，煙火藥劑用于產(chǎn)生光、煙等特種效應(yīng)。
　　發(fā)射藥、推進劑、炸藥和火工煙火藥劑均為亞穩(wěn)態(tài)類物質(zhì)，它們主要以燃燒或爆炸方式進行化學(xué)反應(yīng)，而且即使在隔絕大氣條件下，燃燒或爆炸仍能順利進行，并能瞬間輸出巨大功，體現(xiàn)了含能材料的“含能”特征。
　　含能材料是武器裝備的核心材料之一，在國防工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。含能材料以壓力推進、反作用力推進和爆炸毀傷等方式應(yīng)用于武器，含能材料的能量輸出特點使得武器結(jié)構(gòu)簡單，使用機動靈活，反應(yīng)敏捷，突防和攻擊性能高效。作為武器的能源，含能材料性能與武器性能密切相關(guān)，它是決定武器先進性的關(guān)鍵因素之一。綜合考慮兵器先進性、相容性、生存能力、機動性、工藝性以及性價比等因素，與其他能源相比，含能材料化學(xué)能在兵器上的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)越性。在民用領(lǐng)域，含能材料被廣泛用作礦業(yè)、建筑、石油、冶金等機械加工和工程施工的能源，或用作熱、光、煙的能源，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域的應(yīng)用范圍正在不斷拓展。作為軍用和民用的含能材料，在今后相當(dāng)長的時間里，仍無法被其他能源所取代。
　　武器與含能材料相互依存與促進。武器的需求牽引與技術(shù)進步為含能材料發(fā)展和創(chuàng)新提供條件和機遇；含能材料性能的進一步提高，促進武器發(fā)射能力、精確打擊能力、機動性和毀傷威力的增強，可促進和引領(lǐng)新一代武器及新概念武器的發(fā)展和創(chuàng)新。含能材料通過與武器的合理優(yōu)化組合，可以使武器獲得更優(yōu)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，同時也可使含能材料的能量獲得高效發(fā)揮。
　　鑒于國防的重要性，世界各國對含能材料進行了長期持續(xù)的研究，至20世紀(jì)70年代，逐步發(fā)展并形成了以具有能獨立進行化學(xué)反應(yīng)并輸出能量為特征的含能材料知識體系，并被世界軍械領(lǐng)域所接受和公認(rèn)。這一領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流和學(xué)科建設(shè)不斷推進，專業(yè)學(xué)會和研發(fā)機構(gòu)相繼建立和完善，例行的國際學(xué)術(shù)會議定期舉行，專業(yè)期刊和書籍不斷發(fā)行，高校設(shè)立相關(guān)專業(yè)招收學(xué)生進行培養(yǎng)。我國的含能材料學(xué)科也在發(fā)展中逐步形成，在 1995 年版國務(wù)院學(xué)位辦《授予博士、碩士學(xué)位和培養(yǎng)研究生的學(xué)科、專業(yè)總覽》中，將含能材歸為我國兵器科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科的 17 個二級學(xué)科之一。
　　我國含能材料學(xué)科自 20 世紀(jì) 80 年代以來進入了快速發(fā)展時期，以高能低感和綠色制造為主要方向的含能材料發(fā)展趨勢日趨明朗。近 5 年，我國含能材料學(xué)科領(lǐng)域的研究十分活躍，基礎(chǔ)理論方面的新觀點、新原理和新方法，應(yīng)用技術(shù)方面的新發(fā)明和新突破，研究
成果的推廣和成功轉(zhuǎn)化等時有報道。我國相繼開展了以提高含能材料能量為目標(biāo)的高能量密度化合物、含能黏合劑、高熱值可燃劑、高效能氧化劑的合成與制備及其應(yīng)用研究；以提高含能材料能量利用率為目標(biāo)的低溫感發(fā)射裝藥、高漸增性燃燒發(fā)射裝藥、溫壓和貧氧藥劑及其與大氣環(huán)境的優(yōu)化耦合等理論與技術(shù)研究；以降低彈藥敏感性為目標(biāo)的不敏感炸藥及其應(yīng)用研究；以提高工藝安全性、降低能耗和減少/消除環(huán)境污染為目標(biāo)的綠色硝化、污水廢氣治理、遠(yuǎn)程控制—人機隔離—連續(xù)化—自動化生產(chǎn)、報廢火炸藥無害化處理與資源化利用等理論與技術(shù)研究，并取得了高增面和低溫感發(fā)射裝藥、全等模塊裝藥、CL-20等高能量密度化合物合成與工程應(yīng)用、溫壓炸藥、高能 NEPE 類推進劑、高固含量 HTPB及 CMDB 推進劑、面源紅外誘餌劑、全頻譜發(fā)煙劑等重大研究成果，豐富和充實了含能材料學(xué)科的基礎(chǔ)理論，擴展了含能材料的應(yīng)用范疇，推動和引領(lǐng)了新一代大口徑火炮、遠(yuǎn)程戰(zhàn)術(shù)火箭、高威力毀傷彈藥的發(fā)展，也促進了含能材料設(shè)計原理與方法、工藝原理與技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)和測試評估技術(shù)的同步進展。其中，全等模塊裝藥技術(shù)及 CL-20 的工程化放大技術(shù)是我國近 5 年來含能材料研究領(lǐng)域取得的重大突破及標(biāo)志性亮點。
　　縱觀我國含能材料學(xué)科近年的快速發(fā)展和所取得的豐碩成果，從一個側(cè)面反映了我國兵器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域在提升自身實力、提高自身水平、增強自身活力的同時，對我國國防現(xiàn)代化建設(shè)所作出的重要貢獻。
　　本報告分別從含能材料設(shè)計、制備 / 合成工藝技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、性能測試與評估等方面回顧總結(jié)我國近五年含能材料學(xué)科領(lǐng)域的研究進展，并與國外該學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀進行了比較�？梢钥吹剑�我國的含能材料學(xué)科體系已經(jīng)發(fā)展并形成了自身的優(yōu)勢和特點，與國際先進水平之間的差距逐步縮小，部分領(lǐng)域已進入國際先進行列。報告還分析了含能材料的未來需求背景，展望了含能材料學(xué)科的發(fā)展趨勢，提出了我國含能材料重點發(fā)展的方向及其策略和建議。
　　“含能材料學(xué)科發(fā)展研究”課題的開展和研究報告的撰寫得到了中國科協(xié)學(xué)會學(xué)術(shù)部的直接指導(dǎo)，北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)、中北大學(xué)、中國兵器 204 所、中國兵器 213所、中國兵器 210 所、中國工程物理研究院 903 所等單位的 50 多位專家學(xué)者參與了該課題的研究。國防科技大學(xué)、總裝預(yù)研管理中心、總裝炮兵技術(shù)研究所、中國兵器科學(xué)研究院等單位的專家參加了學(xué)科報告的研討，并提出了許多寶貴意見。南京理工大學(xué)牽頭開展了課題研究與報告的撰寫。中國兵器科學(xué)研究院和南京理工大學(xué)組織專家對報告進行了保密審查。
　　二、含能材料學(xué)科的最新研究進展
　�。ㄒ唬┌l(fā)射藥
　　1. 發(fā)射藥設(shè)計
　�。�1）設(shè)計方法
　　近年來，我國學(xué)者應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，開發(fā)了發(fā)射藥配方設(shè)計與優(yōu)化軟件、支撐數(shù)據(jù)庫等系列設(shè)計平臺。比如采用人工干預(yù)優(yōu)化算法，開發(fā)了發(fā)射藥配方優(yōu)化設(shè)計EMATRIX 模塊，采用動態(tài)鏈接庫的方式實現(xiàn)了資源共享和混合編程，實現(xiàn)了發(fā)射藥配方優(yōu)選及其能量優(yōu)化設(shè)計；又如基于逼近武器高壓應(yīng)用環(huán)境條件的求解模型，編制了具有離解和非離解特點的發(fā)射藥配方熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的計算軟件。這些成果的應(yīng)用，有利于發(fā)射藥設(shè)計效率的提高和研制周期的縮短。
　　煙、焰、殘渣被稱為發(fā)射裝藥燃燒的有害現(xiàn)象。近年來，我國從發(fā)射藥高壓燃燒時凝聚態(tài)產(chǎn)物的形成機制入手，考察了發(fā)射藥原料質(zhì)量、配方氧平衡、發(fā)射藥尺寸偏差、燃燒場等因素與凝聚態(tài)產(chǎn)物之間的定性與定量關(guān)系，以此為基礎(chǔ)提出了諸如使用優(yōu)質(zhì)黏合劑、控制配方氧平衡、強化裝藥點火一致性等技術(shù)措施來抑制發(fā)射藥燃燒凝聚態(tài)物質(zhì)的生成。這些基礎(chǔ)研究成果對“潔凈燃燒發(fā)射藥”的設(shè)計和消除或減弱身管武器發(fā)射時遇到的煙、焰、殘渣等有害燃燒現(xiàn)象提供了指導(dǎo)性建議。
　�。�2）發(fā)射藥配方
　　1）高能發(fā)射藥。主要采用混合含能增塑劑、混合含能黏合劑、高能量密度化合物等技術(shù)途徑，獲得高能發(fā)射藥。比如使用以 NG/DIANP 為混合含能增塑劑、RDX 為高能氧化劑的高能發(fā)射藥，在爆溫≤ 3500K 時，火藥力可達(dá) 1275kJ/kg，該發(fā)射藥試用于 30mm口徑火炮，從常溫、低溫內(nèi)彈道試驗效果看，在 550MPa 高壓下膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定。使用 GAP/NC/N100 為混合含能黏合劑、RDX 為高能氧化劑的高能發(fā)射藥，在爆溫≤ 3600K 的條件下，火藥力可達(dá) 1270kJ/kg，低溫抗沖強度＞ 7kJ/m2；在發(fā)射藥配方中引入 CL-20、DNTF、TNAZ 等高能量密度化合物，明顯提高了發(fā)射藥的能量，火藥力可達(dá) 1300kJ/kg 左右。與原有最高能量的發(fā)射藥相比，火藥力提高了 5% 以上。
　　2）高強度發(fā)射藥。發(fā)射藥的力學(xué)性能高膛壓、高初速身管武器中備受關(guān)注，因為它與發(fā)射安全戚戚相關(guān)。我國科研人員采取了調(diào)節(jié)黏合劑體系的低溫力學(xué)性能、控制高能固體填料顆粒結(jié)構(gòu)及其在黏合劑體系中分散的均一性、加入鍵合劑等技術(shù)途徑，有效地改善了發(fā)射藥的力學(xué)性能，部分高強度發(fā)射藥的低溫沖擊強度提高了 50% 以上。比如在太根發(fā)射藥設(shè)計時，在配方中添加熱塑性彈性體和高能添加劑 RDX，低溫沖擊強度達(dá)到 10kJ/m2以上，燃燒穩(wěn)定。
　　3）高燃速發(fā)射藥。近年來我國科研人員重點研究了功能材料和預(yù)制微孔結(jié)構(gòu)對發(fā)射藥燃速的影響。其中使用高燃速功能材料的途徑，發(fā)射藥的正比式燃速系數(shù)至 3mm/（s·MPa）以上，是傳統(tǒng)高能發(fā)射藥的 3 倍左右，且高溫、低溫、常溫燃燒性能穩(wěn)定。基于內(nèi)溶法球形藥工藝條件的控制技術(shù)和超臨界流體發(fā)泡原理制備的表觀高燃速發(fā)射藥，其內(nèi)部均勻分布了一定數(shù)量和孔徑的氣孔，燃燒時表觀燃速獲得大幅提高。
　　4）低敏感發(fā)射藥。也稱 LOVA 發(fā)射藥，是為適應(yīng)高過載作用而發(fā)展起來的新型發(fā)射藥品種。近年來我國學(xué)者看好硝化棉（NC）基低敏感發(fā)射藥和含能熱塑性彈性體（ETPE）基低敏感發(fā)射藥。其中開發(fā)的以硝化棉（NC）為黏合劑、丁基硝氧基乙基硝胺（BuNENA）為含能增塑劑、黑索今（RDX）為高能氧化劑的低敏感發(fā)射藥，即使火藥力高達(dá) 1205kJ/kg，但它對熱作用、射流撞擊、快速烤燃、慢速烤燃和子彈撞擊等敏感度明顯低于傳統(tǒng)三基發(fā)射藥，在 30mm 火炮上內(nèi)彈道性能穩(wěn)定。
　　5）改性單基發(fā)射藥。單基發(fā)射藥雖然是傳統(tǒng)品種，但因其力學(xué)強度良好，仍然在使用。不過近年來我國開始重視了單基發(fā)射藥的改性，目標(biāo)是提高發(fā)射藥能量、增強發(fā)射藥燃燒漸增性和降低裝藥溫度系數(shù)。技術(shù)途徑包括浸漬增能、鈍感和包覆處理。此外，還結(jié)合新型有機消焰劑和低煙霧功能材料的應(yīng)用，以期降低發(fā)射裝藥炮口火焰和煙霧。比如在單基發(fā)射藥中引入高能炸藥和低爆溫增塑劑，得到的復(fù)合改性單基發(fā)射藥，其火藥力＞ 1170kJ/kg，在常溫內(nèi)彈道試驗時對比單樟發(fā)射藥，彈丸初速提高 3% 左右。
　　2. 發(fā)射藥制造工藝技術(shù)
　　我國在發(fā)射藥制備工藝技術(shù)方面，近年來，我國重視生產(chǎn)安全、環(huán)保和產(chǎn)品質(zhì)量，“安全”、“環(huán)�！钡壤砟钤谛袠I(yè)中得到了進一步強化。工藝創(chuàng)新成果時有報道，這些成果在發(fā)射藥生產(chǎn)中的應(yīng)用，縮小了與國外發(fā)射藥制造工藝的技術(shù)水平差距，這些成果包括自動噴射吸收工藝、剪切壓延工藝、多層變?nèi)妓侔l(fā)射藥擠出工藝、雙螺桿擠出成型工藝等。其中，雙螺旋連續(xù)高效塑化技術(shù)與裝備，解決了傳統(tǒng)間斷法制備 NC 氮量大于 13.0% 的高氮量單基藥時難以塑化的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了人機隔離、遠(yuǎn)距離控制、連續(xù)自動化制造；自動化噴射吸收工藝基本實現(xiàn)了吸收工序的連續(xù)化和自動化；連續(xù)剪切壓延塑化造粒技術(shù)，用于硝胺發(fā)射藥產(chǎn)品工業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)了吸收藥脫水、混合、預(yù)塑化以及造粒工藝過程的人機隔離、遠(yuǎn)距離控制、安全、連續(xù)化和自動化，燃爆事故率降為零；雙螺桿擠出柔性工藝技術(shù)進入工程化試驗研究；多層變?nèi)妓侔l(fā)射藥擠出工藝已進行小批量試制；為滿足武器應(yīng)用對高燃速、高漸增性和燃燒潔凈性的需求，利用微膠囊技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的球形藥工藝，研制了一類具有核殼結(jié)構(gòu)的微孔球形藥制造工藝技術(shù)。
　　針對發(fā)射藥生產(chǎn)過程的環(huán)保問題，開展了大量工藝環(huán)保技術(shù)研究，在廢酸處理技術(shù)、硝煙回收技術(shù)、溶劑回收技術(shù)以及廢水處理技術(shù)方面取得了很大進展，并應(yīng)用這些技術(shù)實施了生產(chǎn)線改造，實現(xiàn)了發(fā)射藥生產(chǎn)廢物排放量的大幅度削減和排放物的達(dá)標(biāo)。
　　3. 發(fā)射藥應(yīng)用技術(shù)
　�。�1）發(fā)射藥裝藥數(shù)字化仿真
　　配合低溫感裝藥技術(shù)的推廣應(yīng)用，我國著力研究了低溫感裝藥條件對裝藥燃燒的影響規(guī)律，以此為基礎(chǔ)，開發(fā)了低溫感組合裝藥的內(nèi)彈道模型和可逆的裝藥設(shè)計仿真軟件，對低溫感裝藥技術(shù)在型號的應(yīng)用起到促進應(yīng)用。
　�。�2）提高彈道效率和炮口動能的發(fā)射裝藥新技術(shù)
　　發(fā)射裝藥能量的漸增性釋放能夠提高發(fā)射武器的內(nèi)彈道效率。近年來，我國在高漸增性燃燒發(fā)射藥裝藥技術(shù)方面開展不少研究，并取得了多項成果。
　　在解決驅(qū)溶、非均等弧厚等制造工藝難題基礎(chǔ)上，設(shè)計并制備了高增面性的 37 孔粒狀發(fā)射藥，與現(xiàn)有 19 孔發(fā)射藥相比，燃燒增面性提高了 5% ～ 12%。針對 155mm 火炮的遠(yuǎn)程發(fā)射指標(biāo)要求，開發(fā)了組合低溫感裝藥，在降低膛壓的情況下提高了炮口動能。開發(fā)了由程序控制燃面預(yù)分裂發(fā)射藥結(jié)構(gòu)和顆粒固結(jié)結(jié)構(gòu)，其 Lm/L0可達(dá)到 3 以上，Bm值在 0.5左右。研制的中心開孔式雙層結(jié)構(gòu)變?nèi)妓侔l(fā)射裝藥，具有明顯的燃燒漸增效應(yīng)，目前在裝備上已獲應(yīng)用。設(shè)計了中間為快燃速層、兩邊為慢燃速的“快芯”層狀發(fā)射藥，采用壓片成型工藝進行加工，并完成了裝填密度大于1.0g/cm3的30mm火炮內(nèi)彈道試驗，結(jié)果表明，在不增加最大膛壓的條件下可提高彈丸炮口動能 8% ～ 14%。
　�。�3）提高武器機動性能和勤務(wù)處理能力的發(fā)射裝藥新技術(shù)
　　這里主要是指模塊裝藥技術(shù)，它是針對大口徑壓制火炮提出的、近年來國內(nèi)外都很關(guān)注的新型發(fā)射裝藥技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用便于火炮發(fā)射的自動裝填，提高射速。我國經(jīng)過近幾年的研究，技術(shù)推進十分明顯。主要表現(xiàn)在：
　　研制的單元全等模塊裝藥，與雙模塊裝藥相比，其勤務(wù)處理效率明顯提高，火炮自動裝填系統(tǒng)、彈藥貯運系統(tǒng)以及火控系統(tǒng)的設(shè)計均可大大簡化，該技術(shù)解決了兼顧小號裝藥燃盡性和大號裝藥膛壓限制的世界性技術(shù)難題，可兼容現(xiàn)裝備的彈丸和引信，實現(xiàn)全射程覆蓋，火炮射速能夠明顯提高，同時為發(fā)展精確彈藥提供了優(yōu)良的彈道環(huán)境。
　　發(fā)展了一種高增面、低溫感的遠(yuǎn)程模塊裝藥，可在不使用加長身管和提高膛壓等手段的條件下提高火炮射程，同時其勤務(wù)操作更為便利。如，該裝藥應(yīng)用于 52 倍口徑、155mm 火炮后，在不提高膛壓的條件下可提高火炮射程 20% 以上，超過了目前世界上先進的 G6 高膛壓火炮的炮口動能。該技術(shù)具有通用性，可在 122mm 榴彈炮等型號上推廣應(yīng)用，簡化射擊條件，提高勤務(wù)處理的效率。
　　4. 發(fā)射藥性能測試與評估