鴻鵠

在2017年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)選中，王澤山院士與侯云德院士獲國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。對(duì)南京理工大學(xué)王澤山院士的獎(jiǎng)勵(lì)，是為了表彰他在火炸藥研究領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)。中國(guó)是黑火藥的起源地，也是現(xiàn)代火炸藥技術(shù)的后起之秀。因此，王院士的獲獎(jiǎng)具有非常重要的意義。

火炸藥與含能材料的基本概念

黑火藥的起源，最早可以追溯到春秋時(shí)期。范子計(jì)然說(shuō)“硝石出隴道”，說(shuō)的就是黑火藥的三大組成之一的硝酸鉀。而到唐末宋初，將硝酸鉀、木炭和硫磺按照一定比例混合成黑火藥就開(kāi)始用于戰(zhàn)爭(zhēng)，可以認(rèn)為是一種簡(jiǎn)單的炸藥。

隨著現(xiàn)代新興科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的新型含能物質(zhì)及其復(fù)合物被發(fā)掘和使用，所以含能材料也有了新的定義：含有爆炸性基團(tuán)或含有氧化劑和可燃物，能獨(dú)立地進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并輸出能量的化合物或混合物。

而今，因?yàn)楝F(xiàn)代武器、航空航天等國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域的需要，火炸藥也不斷發(fā)展，而追求高能量密度、高能量釋放速率、高力學(xué)性能，同時(shí)能以簡(jiǎn)單的方法獲取，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標(biāo)。

含能材料技術(shù)落后就要挨打

火炸藥在彈藥中有廣泛應(yīng)用。以普通的炮彈為例，彈丸戰(zhàn)斗部里裝的是高性能炸藥，引信里裝的是火工藥劑和傳爆藥，發(fā)射藥筒里裝的是發(fā)射藥，底火中裝的則是發(fā)火藥和傳火藥。炮彈被擊發(fā)以后，發(fā)火藥首先燃燒，點(diǎn)燃傳火藥，再點(diǎn)燃發(fā)射藥。發(fā)射藥燃燒作功將彈丸推出炮膛。炮彈遇到目標(biāo)后，引信被觸發(fā)，引爆炸藥，最終摧毀目標(biāo)。各種類型的導(dǎo)彈亦是如此，只不過(guò)發(fā)射藥并不會(huì)在發(fā)射裝置里燃燒完，而是在飛行過(guò)程中持續(xù)燃燒。

戰(zhàn)斗部和動(dòng)力部分使用含能材料的性能高低影響炮彈、導(dǎo)彈的綜合威力。所以近現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)史也是含能材料的發(fā)展史。一國(guó)在含能材料領(lǐng)域的突破性進(jìn)步甚至能左右戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)局。

◎雷汞

近代中國(guó)在軍事科技上的落后，也體現(xiàn)在火炸藥制造和使用水平上。鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，英軍就開(kāi)始裝備燧發(fā)式火槍。它利用金屬片與燧石互相敲擊點(diǎn)火的點(diǎn)火方式，相比當(dāng)時(shí)清軍主要裝備的火繩槍要優(yōu)越很多。因?yàn)榛鹄K槍需要點(diǎn)火發(fā)射，有較長(zhǎng)的引線，在雨霧天效能極差。而燧發(fā)槍是摩擦燧石，不易受到惡劣天氣的影響。當(dāng)時(shí)的英軍還部分裝備了雷管槍，由扳機(jī)敲擊雷管，使其中的雷汞爆炸而引火點(diǎn)燃推進(jìn)藥。就當(dāng)時(shí)的火槍和引爆藥水平而言，清軍比英國(guó)的技術(shù)落后一到兩代。

雷汞屬于炸藥中的起爆藥，是1779年由英國(guó)化學(xué)家霍華德發(fā)明的。發(fā)明之后很快就被西方國(guó)家用于配制火帽擊發(fā)藥和針刺藥。雷汞的應(yīng)用某種程度上也是現(xiàn)代化學(xué)炸藥應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)的開(kāi)端。

◎下瀨火藥

日本人發(fā)明的下瀨火藥是基于著名化學(xué)炸藥苦味酸（2，4，6-三硝基苯酚）制成的。它不僅會(huì)形成沖擊波和炮彈碎片，還會(huì)在爆炸中心產(chǎn)生高達(dá)上千攝氏度的大火。當(dāng)時(shí)艦船上的鋼鐵都能被燒穿。這種火藥爆炸形成的火焰會(huì)四散流動(dòng)，即使在水中都能持續(xù)燃燒一段時(shí)間。近失彈爆炸產(chǎn)生的高溫照樣能破壞船體。下瀨火藥爆炸時(shí)會(huì)并發(fā)有毒黃色煙霧，也可以給船上船員以極大殺傷。

◎TNT炸藥

伴隨著威力更加強(qiáng)大的梯恩梯（TNT：三硝基甲苯）炸藥的出現(xiàn)，苦味酸逐漸被取代。TNT是一種威力更強(qiáng)而且更穩(wěn)定的炸藥，即使是被子彈直接擊中也不會(huì)爆炸或者燃燒，必須要用雷管進(jìn)行引爆。因?yàn)槠浒踩煽?，它?0世紀(jì)初開(kāi)始廣泛用于軍事上裝填各種彈藥和工業(yè)上的采礦、筑路、興修水利、工程爆破、金屬加工等。直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，梯恩梯都可以稱得上是綜合性能最好的炸藥，因此也贏得了 “炸藥之王”的美譽(yù)。與黑火藥相比，它的爆炸能提高了足足四倍。

抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期的日本已經(jīng)能大量的生產(chǎn)和使用TNT。而當(dāng)時(shí)中國(guó)工業(yè)積累嚴(yán)重不足，即使能夠生產(chǎn)TNT，也因?yàn)楫a(chǎn)量不足、質(zhì)量不過(guò)關(guān)等原因，難以大量應(yīng)用。所以當(dāng)時(shí)中國(guó)國(guó)產(chǎn)彈藥在威力方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如日本，甚至八路軍敵后部隊(duì)還在使用黑火藥發(fā)射的土槍土炮。這也是抗戰(zhàn)武裝斗爭(zhēng)極為漫長(zhǎng)艱苦的原因之一。

超高能含能材料的發(fā)展

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外有關(guān)含能材料研究的目的，就是如何讓槍彈、炮彈和導(dǎo)彈等具有更遠(yuǎn)的射程和更大的毀傷效果。而降低含能材料的成本等，也是很重要的研究目標(biāo)。

現(xiàn)代含能材料的研究大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段是20世紀(jì)50年代到60年代末期。為了將含能材料應(yīng)用到導(dǎo)彈核武器和航天技術(shù)中，高能含能材料的合成和制造成為含能材料研究和發(fā)展工作的重點(diǎn)，代表性的是各類型的硝酸酯基化合物、高氮化合物、硼氫化合物、金屬及其氫化物、新型高氯酸鹽等。第二階段是70年代到80年代末期。從大幅度提高能量、片面追求單一指標(biāo)向適度提高能量改進(jìn)綜合性能（安全可靠性，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性等）的方面轉(zhuǎn)變，并且取得了實(shí)際進(jìn)展。第三階段是90年代后。這個(gè)階段新概念不斷提出，各種新技術(shù)手段被應(yīng)用到各種新含能材料的合成中。同時(shí)發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)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。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，超高能含能材料因?qū)崿F(xiàn)能量的驚人突破而受到越來(lái)越多國(guó)家的高度重視。與傳統(tǒng)的含能材料或者常規(guī)炸藥的單位體積重量的含能量（通常為103焦耳每克） 相比，超高能含能材料提高了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。超高能含能材料目前主要分為兩大類。首先是基于化學(xué)能的一類。其能量水平為104～105焦耳每克。代表性的是納米鋁、納米硼、納米多孔硅等高活性儲(chǔ)能材料、金屬氫及氮原子簇類的全氮物質(zhì)等。其次是基于物理能的一類。能量水平在105焦耳每克以上，如亞穩(wěn)態(tài)核同質(zhì)異能素、反物質(zhì)材料等。九十年代，美軍牽頭推出了圍繞“高能量密度物質(zhì)”計(jì)劃、 “國(guó)家先進(jìn)含能材料研究倡議”計(jì)劃 等多項(xiàng)重大發(fā)展計(jì)劃，率先取得了突破性進(jìn)展。目前美、俄處于國(guó)際領(lǐng)先地位，在高活性全氮物質(zhì)、金屬儲(chǔ)能材料和核同質(zhì)異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獲得應(yīng)用，無(wú)疑將會(huì)和當(dāng)年的梯恩梯一樣，在武器裝備方面迎來(lái)重大變革，甚至可能引發(fā)新一輪的軍事變革，從根本上改變戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)和作戰(zhàn)樣式。

◎全氮材料合成研究

美國(guó)于1998年成功獲得了離子型全氮化合物N5+，該物質(zhì)以不到0.2克的質(zhì)量炸爛了實(shí)驗(yàn)的一個(gè)通風(fēng)櫥。此后又獲得了其他13種含N5+的鹽類化合物。后續(xù)推出了N8、N60等全氮原子簇的研制工作，其爆炸能量達(dá)到TNT炸藥的3～10倍當(dāng)量。在聚合氮制備技術(shù)有一定成果之后，2009年，美國(guó)陸軍開(kāi)始研究該類型材料的低成本制備方法及大批量制備工藝技術(shù)。

◎基于高活性金屬儲(chǔ)能材料的實(shí)用炸藥

美國(guó)成功將含納米鋁的溫壓炸藥裝備到了巨型空爆炸彈——“炸彈之母”（裝藥8.5噸），采用云霧爆轟方式，爆炸威力相當(dāng)于11噸TNT當(dāng)量。正在研制的基于高活性硼燃料的高威力巨型炸彈則有88噸TNT當(dāng)量的爆炸威力。此外，美國(guó)陸軍則在加速將這種材料開(kāi)發(fā)成先進(jìn)高能量密度發(fā)射藥。而美國(guó)空軍則在研究聚合氮和納米鋁的界面作用，以制成高性能的復(fù)合炸藥。

◎大力發(fā)展核同質(zhì)異能素

相比于傳統(tǒng)的化學(xué)能類含能材料，基于物理能的超高能含能物質(zhì)可能更具有革命性創(chuàng)新意義。其中核同質(zhì)異能素技術(shù)最有可能首先進(jìn)入實(shí)用。相比于傳統(tǒng)的含能材料，其能量提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。美國(guó)國(guó)防部已將該技術(shù)列入軍用關(guān)鍵技術(shù)清單。美國(guó)當(dāng)前重點(diǎn)研究的亞穩(wěn)態(tài)核同質(zhì)異能素可能包括鉿-178、鋨-187、釔-186、鉭-180和鋅-66等。其中鉿-178在美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室已獲萬(wàn)分之一克產(chǎn)量，目前正在研發(fā)基于此的鉿彈（伽瑪射線武器）。

俄羅斯則于近年啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)的“創(chuàng)建新型高能材料的基礎(chǔ)研究計(jì)劃”，側(cè)重點(diǎn)主要集中在全氮高能材料和高能高活性金屬儲(chǔ)能材料的研究與發(fā)展。如爆炸威力是美國(guó)“炸彈之母”4倍的“炸彈之父”，就采用了7.1噸高活性金屬高能材料，其威懾力不亞于小型核武器。全氮化合物方面，成功獲得了以立方體氮原子框架結(jié)構(gòu)存在的全氮化合物。除美俄外，德國(guó)、瑞典、印度、以色列和日本等國(guó)也在加速研究超高能含能材料技術(shù)。

建國(guó)初期，我國(guó)首先開(kāi)始對(duì)蘇聯(lián)等國(guó)外成熟產(chǎn)品的仿制，探索從芳香類合成物到雜環(huán)化合物的合成路徑，并開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)理論的研究攻關(guān)以指導(dǎo)含能材料的合成制造。同時(shí)積極學(xué)習(xí)西方先進(jìn)理論和技術(shù)，掌握了相當(dāng)于美國(guó)H6炸藥的制備工藝，而H6含鋁炸藥與GBU-43“炸彈之母”的裝藥類型相同。

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)在科研方面投入了大量資金，含能材料的研究也取得了較快的發(fā)展，超高能材料的研究也取得了一定的進(jìn)展。比如中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所與重慶大學(xué)合作發(fā)現(xiàn)納米多孔硅/硝酸鹽復(fù)合材料具有較好的爆炸性質(zhì)。而黑索金（RDX）基復(fù)合炸藥中加入納米鋁粉后，復(fù)合炸藥的作功能力比含微米鋁粉的復(fù)合炸藥明顯提高。此外，全氮材料因?yàn)榫哂懈呙芏?、高生成焓、超高能量及爆轟產(chǎn)物清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被寄予厚望，我國(guó)在此方面的研究處于世界前列。

南京理工大學(xué)陸明教授課題組2017年發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊自然雜志的一篇文章《系列水合五唑金屬鹽含能化合物》，體現(xiàn)了含能材料領(lǐng)域新的研究成果。所合成的全氮陰離子鹽N5-，是全氮類高能材料中重要的前體物質(zhì)。這項(xiàng)成就如果應(yīng)用于火炸藥，將有希望提高我國(guó)武器裝備整體性能。

王澤山院士的貢獻(xiàn)

王澤山院士是中國(guó)火炸藥學(xué)科帶頭人，發(fā)射裝藥理論體系的奠基人，是中國(guó)人的“火藥王”。授予王院士的國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，就是為了表彰他在火炸藥領(lǐng)域內(nèi)取得的巨大成就。他曾三次獲得國(guó)家科技大獎(jiǎng)。

◎全等式模塊裝藥技術(shù)

王院士2016年獲得的國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)主要?dú)w功于具有普遍適用性的遠(yuǎn)射程與模塊裝藥技術(shù)?；鹫ㄋ幵诨鹋谏蠎?yīng)用，除了本身的爆炸性能外還有重要的一點(diǎn)，就是其使用效率。目前世界各國(guó)155毫米火炮多采用模塊化裝藥。模塊化裝藥分為單模塊（也稱“全等式”）和雙元模塊（也稱“不等式”）兩種。發(fā)射時(shí)，根據(jù)火炮實(shí)際需求的不同射程，往炮膛內(nèi)填進(jìn)不同數(shù)量的裝藥模塊。近射程用1-2個(gè)裝藥模塊，遠(yuǎn)射程火用5-6個(gè)模塊的全號(hào)裝藥。但 “全等”模塊裝藥在過(guò)去很難實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)榛鹋诘奶艍汉统跛倥c發(fā)射藥量是非線性關(guān)系。滿足全號(hào)裝藥時(shí)的內(nèi)彈道指標(biāo)，就會(huì)在使用最小號(hào)裝藥時(shí)出現(xiàn)燃燒不完全，導(dǎo)致威力不夠。如果為了滿足最小號(hào)裝藥的內(nèi)彈道指標(biāo)，使用全號(hào)裝藥時(shí)又會(huì)出現(xiàn)膛壓超限的情況。

在王院士之前，各國(guó)的火炮基本采用“雙模塊裝藥”模式，將發(fā)射藥分為兩種模塊（不同顏色體現(xiàn)），比如1號(hào)和2號(hào)發(fā)射藥一種顏色，3/4/5/6號(hào)發(fā)射藥則為另一個(gè)顏色，不同模塊的燃燒效率不同不能混用。

這種模式在裝藥發(fā)射前，需要在不同的單元模塊間進(jìn)行更換，操作過(guò)程繁瑣且費(fèi)時(shí)，火炮的效率相對(duì)低下。因此，美、英等多國(guó)科學(xué)家曾聯(lián)合開(kāi)展相關(guān)研究，想要使用同一種單元模塊，只是通過(guò)模塊數(shù)量的不同組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)火炮對(duì)于遠(yuǎn)近射程的自由切換，以提高火炮效率。但最終由于無(wú)法突破技術(shù)瓶頸，研究無(wú)法繼續(xù)。而王院士則另辟蹊徑，創(chuàng)立了裝藥新技術(shù)和相應(yīng)的彈道理論，經(jīng)過(guò)20年的不懈努力，帶領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)攻克了這一國(guó)際軍械領(lǐng)域懸而未決的難題，研發(fā)出了具有普適性的全等式模塊裝藥技術(shù)。

全等式模塊裝藥技術(shù)的各個(gè)單元模塊是完全相同的，能在不改變火炮總體結(jié)構(gòu)和不增加火炮膛壓的前提下，通過(guò)提高火藥能量的有效利用效率來(lái)提升火炮的射程。使得中國(guó)火炮炮口動(dòng)能及全面超過(guò)其他國(guó)家的同類火炮。實(shí)際多種武器裝備和型號(hào)應(yīng)用表明，使用該技術(shù)后火炮的射程能夠提高20%以上，最大發(fā)射過(guò)載降低25%以上。而且降低了火藥燃燒產(chǎn)生的火焰、煙氣、有害氣體，減少了對(duì)操作員和環(huán)境造成的危害。

◎火炸藥資源化再利用

王院士早年還因?yàn)榛鹫ㄋ庂Y源化再利用研究成果獲得過(guò)一次國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。與食品一樣，含能材料有一定的使用壽命。到期的含能材料，其穩(wěn)定性和安全性都顯著下降，而且大部分含能材料易燃、易爆、有毒，也加大了其處理難度。特別是大量的退役報(bào)廢彈藥，它們?cè)谫A存、運(yùn)輸、拆卸和銷毀的過(guò)程中都充滿了危險(xiǎn)。傳統(tǒng)處理的方法是將廢棄的含能材料堆積在遠(yuǎn)離城市和交通樞紐的露天焚燒場(chǎng)，然后用電點(diǎn)火方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離引燃操作。雖然該方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、投資低、且相對(duì)安全，但因此帶來(lái)的污染問(wèn)題也不容忽視，美國(guó)在七十年代就廢止了該方法。為了降低污染，七十年代以后發(fā)展了包括焚燒爐焚燒法和生物降解法在內(nèi)的多種方法處理含能廢棄物。但仍然沒(méi)有做到真正的物盡其用。

目前，各國(guó)都在積極研究廢棄含能材料的再利用問(wèn)題。比如說(shuō)把它轉(zhuǎn)變?yōu)榛ぴ匣虍a(chǎn)品。從含能材料中分離出的各類氧化劑、金屬粉、增塑劑等，可以通過(guò)后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甘油、酒石酸等其他可用的化工產(chǎn)品。而軍用炸藥、發(fā)射藥等廢棄含能材料，可以制成工業(yè)炸藥。王院士正是在上世紀(jì)九十年代率先攻克了相關(guān)的技術(shù)難題，讓原本的“炸藥包”變成了具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的寶貝。

◎降低火炸藥環(huán)境溫度敏感性

王院士另一個(gè)國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，則是因?yàn)樗麕ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功解決了降低武器對(duì)環(huán)境溫度敏感性這個(gè)世界軍事難題。炸藥的燃燒和爆炸過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)受溫度的影響很大，溫度越高，反應(yīng)速率越快。溫度對(duì)于發(fā)射藥燃燒速度的影響，最終會(huì)體現(xiàn)在火炮的彈道性能上，使得火炮炮口初速呈現(xiàn)出低溫低、高溫高的變化。對(duì)于追求高膛壓高初速的坦克炮，受氣溫影響就非常明顯。原本在南方能輕易擊穿裝甲的坦克炮，在北方的極寒天氣或者高原地區(qū)發(fā)揮不出應(yīng)有的效能。所以，研制低溫感的火炸藥對(duì)我我國(guó)這種疆域遼闊、南北跨度大、地貌復(fù)雜的國(guó)家是尤為必要的。

為解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)際上通常采用化學(xué)和物理兩個(gè)途徑?；瘜W(xué)上，通過(guò)添加鉛、銅的氧化物等，作為燃速催化劑，利用這些添加劑降低燃速溫度系數(shù)，減小溫度對(duì)發(fā)射藥燃速的影響。物理上，可利用發(fā)射藥物理性能與溫度的相關(guān)性。發(fā)射藥強(qiáng)度會(huì)隨溫度變化，低溫下火藥下強(qiáng)度變差，因此可以用這種原理來(lái)加快火藥破裂、增加燃燒面積，從而提高燃速速度。

而王院士獨(dú)辟蹊徑，利用燃料的補(bǔ)償效應(yīng)，建立了一個(gè)隨著溫度升高自然下降的補(bǔ)償系統(tǒng)（可認(rèn)為是一種對(duì)高溫更敏感的阻燃劑）。通過(guò)與火藥系統(tǒng)的綜合，使其燃燒性能對(duì)溫度的變化不那么敏感，具體包括低溫感包覆火藥混合裝藥的概念和破孔增燃補(bǔ)償與使用同材質(zhì)包覆層的理論。該裝藥由制式發(fā)射藥主裝藥和包覆藥按一定比例組成，包覆藥外層中含有阻燃劑（銳鈦型二氧化鈦），本身能滿足低溫感技術(shù)的要求。在高溫下（800℃左右），銳鈦型二氧化鈦會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，從而吸收部分熱量，進(jìn)一步起到了鈍感及阻燃的作用。另外，采用發(fā)射藥燃面和燃速調(diào)控的技術(shù)，也就是所謂的破孔增燃補(bǔ)償，達(dá)到了各溫度下燃?xì)馍伤俾实暮愣ā＿@樣，讓火炸藥在不同溫度條件下都能以同一速率燃燒。這項(xiàng)發(fā)明的核心技術(shù)，在各方面處于國(guó)際領(lǐng)先。

王澤山院士的成就，不但使中國(guó)的火炸藥生產(chǎn)和研究達(dá)到了世界先進(jìn)水平，也證明了中國(guó)人通過(guò)自己創(chuàng)新出相關(guān)的技術(shù)和理論，能夠解決外國(guó)人解決不了的技術(shù)難題。這對(duì)于各個(gè)領(lǐng)域的科研和自主創(chuàng)新活動(dòng)，都具有積極意義。