關(guān)于火工藥劑發(fā)展的幾點思考

1. 火工藥劑的基本內(nèi)涵

火工藥劑是一類具有高敏感性、高可靠性、高反應(yīng)速率的亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，屬于特種能源物質(zhì)，是一類極為特殊的含能材料。它的作用是接受外界微弱的初始沖能或某種非炸藥刺激，促使其自身發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，輸出燃燒、爆燃或爆轟。根據(jù)其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進行能量轉(zhuǎn)換形式或功效的不同（圖1），火工藥劑一般可分為起爆藥、傳爆藥、點火藥、傳火藥、擊發(fā)藥、針刺藥、延期藥、作功藥劑及煙火藥劑等。其能量輸出形式主要表現(xiàn)為：（1）引爆下級裝藥，實現(xiàn)起爆、傳爆功能；（2）引燃傳火對象，實現(xiàn)點火、傳火功能；（3）自身燃燒，實現(xiàn)作功、作動、延期及特種物理化學(xué)效應(yīng)等功效。火工藥劑是火工品的核心能源物質(zhì)基礎(chǔ)，直接影響到火工系統(tǒng)，乃至整個武器系統(tǒng)的安全性、可靠性和作用效能。

圖1 火工藥劑品種、能量轉(zhuǎn)換及輸出功能

火工藥劑應(yīng)具有合適的特定感度性能，但絕非某種含能化合物感度高，就可用作起爆藥?；鸸に巹┚哂歇毺氐谋ā⑷紵阅?，如：起爆藥爆炸變化加速度很大或爆轟成長期很短，可以快速實現(xiàn)燃燒、爆燃轉(zhuǎn)爆轟。不同品種的火工藥劑均應(yīng)具有可靠的穩(wěn)定輸出性能，如：起爆能力、點火能力、作功能力、延期時長和精度等。

黑火藥可看作是古代最早的混合火工藥劑。起爆藥是現(xiàn)代火工藥劑的核心和基礎(chǔ)，是火工藥劑不斷發(fā)展和創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代火工藥劑的發(fā)展已經(jīng)歷了三個階段，第一階段是以雷汞為代表的起爆藥及含雷汞的混合藥劑，第二階段是以疊氮化鉛、三硝基間苯二酚鉛、二硝基重氮酚、四氮烯等常規(guī)單質(zhì)起爆藥及以其為主要成分的混合火工藥劑，第三階段是以高氯酸·五氨·［2?（5?氰基四唑）］合鈷（Ⅲ）起爆藥（CP）、高氯酸·四氨·雙（5?硝基四唑）合鈷（Ⅲ）起爆藥（BNCP）等為代表的配合物類高能鈍感起爆藥。由于上述三階段的火工藥劑仍存在機械感度偏高、重金屬污染、制備工藝復(fù)雜等缺點，近些年來，國內(nèi)外陸續(xù)報道了一系列以肼、碳酰肼、唑類雜環(huán)化合物等為配體的新型配合物類起爆藥，但多數(shù)仍處于基礎(chǔ)研究階段。隨著新型武器裝備的發(fā)展、急需研發(fā)能夠在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境和極端條件下使用的高能鈍感型、環(huán)境友好型、具有特征感度及良好環(huán)境適應(yīng)性的新型火工藥劑。

2. 火工藥劑發(fā)展的幾點思考

2.1 高能鈍感火工藥劑

火工藥劑是火工品的初始能源，是彈藥系統(tǒng)點火序列或爆炸序列的始發(fā)裝藥?；鸸に巹┍仨毻ㄟ^高能量密度、高作用可靠性等特性來保證火工品在武器系統(tǒng)中的作用可靠性。武器系統(tǒng)小型化的發(fā)展對火工品及火工藥劑提出了高能化的要求。

火工藥劑與其它含能材料相比，最主要的特點就是“感度高”。火工藥劑領(lǐng)域研究追求的目標(biāo)就是藥劑必須具有“適宜”的外界刺激輸入感度。新型武器平臺、鈍感彈藥的研發(fā)，對火工品同樣提出了安全鈍感的新要求。而火工藥劑在火工序列中既要保證在彈藥系統(tǒng)給予的刺激能量下可靠作用，又要保證外界環(huán)境偶發(fā)刺激能量下安全使用。簡言之：“既要保證火工藥劑作用可靠性，又要保證其使用安全性”。因此，需要研發(fā)具有合適感度裕度的單質(zhì)或混合物類含能材料作為新型火工藥劑。

2.2 環(huán)境友好火工藥劑

疊氮化鉛具有爆轟成長期極短、起爆能力強、受熱直接并快速分解起爆等特點，但其機械感度偏高且存在重金屬鉛的污染。三硝基間苯二酚鉛的火焰感度高、點火能力強，但其靜電感度極高且同樣存在重金屬鉛的污染。近年來，國內(nèi)外研究人員一直在探尋可替代疊氮化鉛和斯蒂芬酸鉛這兩種物質(zhì)的環(huán)境友好型起爆藥。美國先后發(fā)布了“消除小口徑彈藥中的毒性重金屬”、“中口徑彈藥中新型起爆藥研究”、“環(huán)保型起爆藥取代疊氮化鉛研究”等多項相關(guān)研究計劃（John Fronabarger，Mike Williams，Kelly Armstrong，et al. Lead Azide Replacement Program［C］//NDIA Fuze Conference，2005）。美國Los Alamos 國家實驗室的科學(xué)家對環(huán)境友好起爆藥提出如下要求：無毒性金屬和高氯酸根，有一定的耐濕性、耐光性，具有一定感度且使用安全，至少耐溫200 ℃，長儲性能好（My Hang V. Huynh，Michael D. Coburn，Thomas J. Meyer，et al. Green primary explo?sives：5?nitrotetrazolato?N2?ferrate hierarchies［J］. Proc Natl Acad Sci USA，2006，103（27）：10322-10327）。

真正的綠色起爆藥除了能滿足不含重金屬和低毒性的要求，符合上述標(biāo)準(zhǔn)外，制備過程所用的試劑和溶劑，及所形成的廢料也應(yīng)該是環(huán)境友好的。相關(guān)藥劑的制備方法應(yīng)簡便、經(jīng)濟、安全，且易實現(xiàn)批量生產(chǎn)。故，新型火工藥劑的研發(fā)要全面考慮其全生命周期環(huán)境友好性、化合制備過程的原子經(jīng)濟性。同樣，環(huán)保型單質(zhì)藥劑是環(huán)保型混合火工藥劑的基礎(chǔ)，一旦突破了單質(zhì)藥劑的研發(fā)，混合型火工藥劑的環(huán)保問題也將迎刃而解。

2.3 特征感度火工藥劑

火工藥劑感度是指藥劑在受到外界能量刺激下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的難易程度。外界能量刺激有多種形式：如：機械刺激（撞擊、摩擦、針刺）、熱刺激（火焰、加熱）、電刺激（電火花、靜電）、光刺激（激光、可見光）等。與外界能量刺激形式相對應(yīng)，火工藥劑表現(xiàn)出相應(yīng)的感度。外界能量形式不同，引起火工藥劑化學(xué)反應(yīng)所需能量的大小也不相同，火工藥劑的感度不僅決定于藥劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)、組成、理化性能，還與藥劑的物理狀態(tài)、裝藥條件等因素有關(guān)。這涉及到藥劑受激的化學(xué)反應(yīng)機理，機理不同對應(yīng)所需刺激能量的大小也不同（盛滌倫. 火工藥劑特征感度基本概念［J］. 火工品，2008（2）：50）。

各種藥劑對不同形式的外界能量表現(xiàn)出很大的選擇性，如：疊氮化鉛機械感度較高，而其火焰感度較低；四氮烯的機械感度大于斯蒂芬酸鉛，而其火焰感度小于斯蒂芬酸鉛。利用火工藥劑感度的這種選擇性，可研究優(yōu)選出某種藥劑的特征感度。譬如：確保火工藥劑具有較低機械感度的同時，使其具有較好的特征激光感度、特征等離子體感度、特征微波感度等，分別用于激光火工品、半導(dǎo)體橋、微波點火組件等。這樣，將會在本質(zhì)上極大提高火工藥劑的使用安全性和火工品的作用可靠性。

2.4 微納結(jié)構(gòu)火工藥劑

微納結(jié)構(gòu)火工藥劑是指采用與微電子機械系統(tǒng)（MEMS）工藝相兼容的技術(shù)，如：氣相沉積技術(shù)、光刻掩膜技術(shù)、模板制備技術(shù)、磁控濺射技術(shù)、靜電噴射技術(shù)、原位合成技術(shù)等，在一定基底上生成納米尺度的、具有一定微結(jié)構(gòu)的含能材料，用作MEMS 火工品裝藥。微納結(jié)構(gòu)藥劑在微觀尺度具有一定的空間排布和有序性，可以實現(xiàn)微量精確制備，并在芯片上與微結(jié)構(gòu)換能元或微安保機構(gòu)實現(xiàn)集成（褚恩義，張方，張蕊，等. 第四代火工品部分概念初步探討［J］. 火工品，2018（1）：1-5）。與之相應(yīng)的裝藥方法也突破了傳統(tǒng)的壓裝工藝，多采用“原位”裝藥技術(shù)，通常包括原位化合法、墨水直寫法、噴墨打印法、3D 打印技術(shù)等，提高了裝藥安全性。

目前，研究較多的微納結(jié)構(gòu)藥劑主要有：亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合物（MIC）薄膜、多孔硅?氧化劑復(fù)合含能材料、低維碳材料復(fù)合含能材料、疊氮化銅納米線陣列等。如：利用模板法結(jié)合電化學(xué)沉積制備得到疊氮化銅納米線陣列，該方法制備的微納結(jié)構(gòu)藥劑可以通過模板控制納米線直徑，并使納米線按一定方向均勻整齊排列（Zhang F，Wang Y L，Bai Y W，et al. Preparation and characterization of copper azide nanowire array［J］. Materal Letters，2012，89：176-179）。再如：利用含銅的金屬有機框架材料或其他聚合物為前驅(qū)體，通過煅燒和氣固相疊氮化反應(yīng)得到被碳骨架包覆的疊氮化銅復(fù)合含能材料。

2.5 極端環(huán)境應(yīng)用藥劑

隨著高新武器裝備、復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境、深空探測、深井勘探等領(lǐng)域的發(fā)展，超高低溫、低氣壓高真空、復(fù)雜電磁環(huán)境、極端力學(xué)環(huán)境等外界條件也對火工藥劑提出了新需求。為適應(yīng)深空探測嚴(yán)酷力熱環(huán)境需求，除設(shè)計合理的分離系統(tǒng)火工作功裝置并進行適當(dāng)?shù)母魺岱雷o之外，研制耐高溫的火工藥劑也非常關(guān)鍵。為應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境，除對火工品器件進行加固外，研制新型低靜電感度的本質(zhì)安全火工藥劑也至關(guān)重要。為應(yīng)對高原低氣壓、外太空宇航高真空環(huán)境，需探索低氣壓高真空條件下火工藥劑的發(fā)火作用機理，解決穩(wěn)定燃燒的難題。

3. 結(jié)語

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜化，火工藥劑需要不斷創(chuàng)新以滿足各種武器裝備迭代的需求，這就對新一代火工藥劑的性能提出了更高的要求。未來火工藥劑的研發(fā)仍應(yīng)朝高能化、鈍感化、環(huán)境友好方向發(fā)展，結(jié)合新型裝藥方法和應(yīng)用方向，研發(fā)新型特征感度火工藥劑及裝藥方法。結(jié)合不同的產(chǎn)品需求，合理設(shè)計火工藥劑（配方），實現(xiàn)藥劑感度與輸出能量的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。綜合考慮火工藥劑的“特征刺激發(fā)火能量”“環(huán)境偶發(fā)刺激能量”與“可靠輸出爆燃能量”之間的匹配關(guān)系，最終確?；鸸ぎa(chǎn)品的作用可靠性和使用安全性。