高活性金屬在炸藥中的應用思考

含能材料是武器系統(tǒng)的毀傷源和動力源，是戰(zhàn)略性的基礎材料，也是武器高能和安全的重要保證。在顛覆性含能材料獲得工程應用前，傳統(tǒng)CHON 類含能材料對提升炸藥的威力作用有限，而高活性金屬材料具有巨大發(fā)展?jié)摿?，對提升武器裝備毀傷效能具有重要意義。適用于炸藥的高活性金屬材料泛指點火燃燒性能好，可明顯提升炸藥威力的金屬粉體，包括但不限于超細粉體、超級鋁熱劑、亞穩(wěn)態(tài)合金、貯氫材料等，涉及金屬冶煉、復合材料設計與制備、應用與性能評價等多個方面的研究，對推動學科發(fā)展，提升我國在本領域科技自立自強能力具有重要意義。

1. 基于高活性金屬發(fā)展而成的納米鋁基復合含能材料被賦予了深刻內涵

鋁粉是目前綜合性能較好、使用最廣泛的一種金屬材料（Yen N H，Wang L Y. Reactive metals in explosives［J］. Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2012，37（2）：143-155）。微米粒度的鋁粉具有點火溫度高、釋能速率慢、反應效率低等缺點。納米鋁粉反應速率可達微米鋁粉幾百倍，但納米鋁粉易氧化團聚（Wang J K，Chen J，Sui H L，et al. Review on micro-nano Aluminum oxidation kinetics［J］.Chinese Jouranl of Energetic Materials（Hanneng-Cailiao），2021，29（3）：251-266），較小的堆積密度會增加火炸藥漿料的黏度，惡化其工藝性能；且納米鋁粉活度低、生產成本高，工程化放大制備能力不足。圍繞鋁粉及其它金屬粉的點火燃燒、燃燒轉爆轟等研究，國內外普遍采用含氧、含氟等元素的有機小分子、聚合物、高氯酸鹽、金屬氧化物等材料對活性金屬材料進行包覆，或利用合金化產生更強的釋能效應，開發(fā)了適用于不同尺寸鋁粉的包覆、接枝、合金化、微納米復合等改性方法，設計出了多種具有納米微結構的新型高活性金屬材料，改善了活性金屬顆粒表界面特性，提高了燃燒性能、燃燒轉爆轟性能、能量利用率及熱釋放效率，能量、安全性、貯存等綜合性能不斷提升，為高活性金屬的工程應用奠定了物質和技術基礎。

這類基于高活性金屬發(fā)展而成的納米鋁基復合含能材料被賦予了深刻內涵，即：納米鋁基復合含能材料是以鋁為可燃組分，添加功能助劑如其他活性金屬及其合金、金屬氧化物、氟聚物、高氯酸鹽等組分，使其具有納米結構及獨特的反應特性，最終形成在燃燒或爆轟條件下，綜合性能大幅改善的復合含能材料體系。

2. 高活性金屬材料設計的關鍵目標是實現(xiàn)炸藥的功能化調控

各種高速突防、遠程精確打擊、高效毀傷武器系統(tǒng)是當前裝備領域研究熱點，這必然需要戰(zhàn)斗部裝藥實現(xiàn)能量輸出結構可控、目標匹配、高能高效等功能，特別是不同類型的戰(zhàn)斗部作戰(zhàn)環(huán)境和使用對象各異，炸藥裝藥（金屬加速、爆破、溫壓、水下等）的能量輸出結構也有較大差異，實現(xiàn)炸藥的功能化調控，才能使戰(zhàn)斗部達到最佳應用效能。高活性金屬材料由于元素種類、形貌、粒度、表界面及理化性能的多樣性，可以在炸藥的功能調控中扮演重要角色。不同類型炸藥需要性能各異的金屬材料，甚至是定制化的金屬材料，這需要從金屬粉體的微介觀反應特性及應用場景進行綜合性能匹配設計，通過金屬材料的熱性能、點火燃燒性能、炸藥的燃燒轉爆轟性能以及裝藥的毀傷效能等，進行金屬材料的系統(tǒng)評估和迭代優(yōu)化，最終高效調控炸藥功能和戰(zhàn)斗部應用效能。

3. 基于反應熱力學和動力學的組分及微結構設計是高活性金屬材料設計的有效方法

圖1 不同條件下的鋁納米顆粒氧化過程Fig.1 Oxidation of aluminum nanoparticles underdifferent conditions

4. 高活性金屬材料拓寬了混合炸藥組分設計方法

混合炸藥配方設計的傳統(tǒng)方法，一般是通過改變猛炸藥的種類及含量調節(jié)炸藥的爆速、爆壓及對金屬的加速能力，同時也可通過改變金屬粉（一般是鋁粉）含量調節(jié)爆熱及沖擊波威力和水下爆炸威力，設計方法單一，且難以同時獲得較高的金屬加速能力和沖擊波威力。而高活性金屬材料可調控混合炸藥的能量輸出結構，應用于炸藥配方中可部分起到猛炸藥的作用，因此在金屬粉及猛炸藥的組分含量設計上具有更多選擇性并能產生更新穎的結果，聯(lián)合效應炸藥即是這一新穎結果的典型代表。聯(lián)合效應炸藥爆轟反應時，高活性金屬材料提前在爆轟反應區(qū)反應，釋放大量能量作用于金屬驅動，在后續(xù)爆轟膨脹過程中，前期爆轟產物與空氣中的氧反應，再次釋放能量加強沖擊波作用，打破了傳統(tǒng)炸藥不能同時獲得高金屬加速能力和高沖擊波能的局限（Baker E L，Balas W，Capellos C，et al. Combined effects aluminized explosives［C］//Proceeding of the International Ballistics Symposium.New Orleans：LA，2008）。按照上述思路，綜合高活性金屬材料及其它技術，有希望獲得具有高沖擊波能和高氣泡能的水下炸藥及具有極不敏感特性的金屬加速炸藥。

5. 高活性金屬材料近期發(fā)展路線

Al 粉及其復合材料仍需持續(xù)深入研究。Al 粉作為高能炸藥的關鍵基礎材料，目前還無可替代。目前需要以納米Al 或微米Al 為基，在微結構優(yōu)化設計、工程化制備、性能評價、應用驗證等方面深入研究，形成系列化、標準化的納米鋁基復合含能材料產品并實現(xiàn)工程化制備，應用于戰(zhàn)斗部裝藥配方研制，最終實現(xiàn)武器裝備的高效毀傷和升級換代。

開展B 粉及其復合材料的關鍵技術攻關。硼粉的單位體積熱值達Al 粉的1.6 倍，是繼Al 粉后最具潛力獲得應用的金屬單質。目前，王澤山院士團隊研制的95%純度硼粉單質硼含量高、氧化硼含量明顯降低，已達到國際先進水平。高純硼的成功制備解決了炸藥用硼基關鍵基礎材料研制技術壁壘和規(guī)模化問題，后續(xù)還需加快對高純單質硼的工程化、形貌、結構、質量穩(wěn)定性控制等相關研究，并推進高純硼復合材料的改性設計、工程化、性能表征、裝備應用評價等相關工作。

高活性金屬的結構功能一體化材料性能提升研究。高活性金屬材料除了應用于炸藥外，也可用于武器彈藥的殼體、藥型罩、破片等結構材料中，高反應活性的合金材料以及非晶合金材料，表現(xiàn)出了提高武器綜合毀傷效能的潛在優(yōu)勢，是高活性金屬材料研究不可或缺的組成部分。

綜上所述，高活性金屬是炸藥研究的重要方向之一，雖然技術途徑各異，但需要指出的是，不同類型的炸藥需要不同的高活性金屬材料甚至是定制化的金屬材料；圍繞炸藥功能調控的關鍵目標，基于反應動力學的組分及微結構設計是高活性金屬材料設計的有效方法；Al 粉仍是不可替代的金屬材料，開發(fā)綜合性能優(yōu)良的納米鋁基復合含能材料產品是當前炸藥裝藥的迫切需求。