兵器等专场
兵器科学技术(含能材料)
2014年04月01日

一、引言

  含能材料包括应用于常规武器装备的发射药、推进剂、炸药以及火工烟火药剂。下面将比较详细地阐述我国在含能材料基础理论、药剂组分配方、制造工艺、装药应用、测试与评估技术等方面的最新研究和/或技术进展,与国外该学科领域的发展现状进行了分析比较,展望了含能材料学科的发展趋势,提出了我国含能材料重点发展的方向及其策略。

二、本学科最新研究进展

  (一)含能材料相关理论和计算机模拟仿真技术

  注意采用量子化学方法和QSPR模型通过对关注的芳烃类、唑类、富氮类、嗪类等高能量密度化合物(HEDC)的密度、生成热、能量、稳定性、爆速、爆压等关键性能参数进行预估和分析,以此指导其合成。开发了基于配方组分数据库的发射药和固体推进剂专家系统,便于进行其能量示性数的准确计算和配方的优化设计。建立了低温感组合装药的内弹道模型,开发了可逆的装药设计仿真软件,从而促进低温感装药技术在各类型号中的应用。

  基于有限元技术开发了熔铸炸药凝固过程数值模拟方法,该法可用于预测装药缩孔、裂纹、疏松等缺陷,指导熔铸炸药配方和工艺的优化设计。在混合炸药能量设计方法上,由过去单纯从化学热力学角度开展设计发展至兼顾化学热力学和化学动力学的设计思路,还重视了炸药能量输出结构与应用环境的匹配,形成了针对空中爆炸、密闭空间爆炸及密实介质中爆炸等的设计方法。

  (二)高性能含能材料组分配方

  开展了高能、高强度、低敏感、高燃速等发射药配方研究,开发了相应的优化配方。基于NG/DIANP为混合含能增塑剂、RDX为高能氧化剂开发的高能发射药,在爆温≤3500K时火药力达1275kJ/kg,在30mm火炮的常、低温内弹道试验时,膛内燃烧稳定、正常;开发的硝化棉(NC)基低敏感发射药和含能热塑性弹性体(ETPE)基低敏感发射药,火药力分别达到1205kJ/kg和1250kJ/kg,各项感度指标明显优于传统三基发射药;采用添加高燃速功能材料使发射药的正比式燃速系数达到了3mm/(s•MPa)以上,是传统高能发射药的三倍左右,高、低、常温燃烧稳定。开展了提高螺压CMDB推进剂、交联改性双基(XLDB)推进剂、HTPB推进剂、硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂研究,开发的螺压CMDB推进剂的RDX含量达到50%以上,有效提高了CMDB推进剂的密度与能量,而燃烧压力指数仍维持在n<0.5;开发的含CL-20的CMDB推进剂配方,在适度控制金属铝粉含量时,可获得19.6N.s/kg-39.2N.s/kg的比冲增益。

  在抗过载炸药、温压炸药、燃料空气炸药、水下炸药、不敏感炸药、基于新型高能材料的炸药和金属化炸药等7类混合炸药配方设计上取得较大进展。如,开发的新型含铝温压炸药,其毁伤作用包含了较强的爆炸冲击波和持续高温的双重效应。开发的含黑索今的复合浇注PBX炸药,密度1.82g/cm3,爆速5400m/s,爆热在8200kJ/kg以上,作为水下武器系统主装药时,其水下爆炸总能量比TNT提高了一倍以上,比RS211提高了35%以上,综合性能优良,能够满足易损性要求。

  火工烟火药剂设计研究,重点关注了新型单质起爆药、复合起爆药、点火药、高精度延期药及其性能改进技术。开发的以TiHP/KClO4(28/72,氟橡胶为粘合剂)为组分的新型高能点火药,机械和静电火花感度低、点火稳定、反应较完全;开发的基于锆和高氯酸钾的新型点火药,具有良好的耐高温能力;改良后的黑火药,解决了传统黑火药能量低、输出不稳定、产物腐蚀性强、易潮解失效、静电安全性差等缺陷;研制的自燃箔条诱饵剂,燃烧时可实现与平台相似的光谱辐射特征,大面积布撒时,引燃率可达100%,燃温低于1000℃,对3~5µm和8~14µm两波段探测系统具有明显干扰效果;研发了多种新型烟幕剂,形成了从可见光至近红外、中红外、远红外直至毫米波范围具有遮蔽作用的“多频谱”烟幕剂系列。

  (三)含能材料合成和制备加工新工艺、新方法和相关新装备

  发射药制造工艺方面,开发了自动化喷射吸收、剪切压延、双螺杆挤出成型等新工艺,其中剪切压延新工艺实现了吸收药脱水、混合、预塑化以及造粒工艺过程的连续化和自动化;在传统球形药内溶法工艺基础上,研制了基于“包容水”和“溶解水”成孔原理和超临界流体发泡原理的高燃速发射药成型新工艺,利用新工艺制备的内部呈泡沫结构的发射药,其表观燃速大幅提高。

  在推进剂装药工艺技术方面,发展了加压插管浇注与真空浇注相结合的技术,初步解决了固含量≥88%时药浆浇注困难的问题,有效提高了装药密度。成功研制了连续压延造粒的双螺旋剪切压延机,解决了高固含量改性双基推进剂生产过程中压延塑化困难、易着火燃爆等诸多难题。采用“点击”化学方法进行了GAP和ADN基固体推进剂的制备研究,得到了固含量为72%的推进剂药柱,力学性能较好,证实了“点击”化学在复合固体推进剂中的应用可行性。

  在炸药工艺技术方面,我国十分重视高能炸药,特别是HEDC的低成本制造技术,取得了不少成果。如在N2O5-HNO3体系中硝解乌洛托品制备RDX,产率从59.5%提高到至72.6%;开发的CL-20无氢解合成路线,降低了CL-20的制备成本,为规模化生产奠定了技术基础;开展了两步法合成CL-20的研究,制备了多种新型异伍兹烷衍生物,相关研究与国际同步;在RDX球形化、NQ球形化等方面取得长足进展,已形成10-50kg级生产能力。攻克了RDX和HMX晶体形貌、内部缺陷、颗粒密度和粒径大小的控制技术,掌握了高品质RDX和HMX的公斤级制备技术。

  在HEDC合成方面,我国高度重视嗪类、呋咱类、唑类、胍类等非杂环、富氮含能盐类等化合物的合成研究,成功合成了数十种HEDC。其中成功合成的3,3'-二硝基-4,4'-偶氮二氧化呋咱(DNAFO),其密度达2.002g/cm3,生成焓为667kJ/mol,实测爆速为10km/s。

  此外,含能材料绿色、安全生产技术的研究与开发也相当活跃,在节能减排、回收利用、污染控制与治理技术、工艺与装备等方面取得了不少成果。

  (四)含能材料装药和应用技术

  近五年来,发射药装药技术研究保持活跃,成果丰硕。在突破驱溶、非均等弧厚等关键工艺技术难题基础上,设计并成功制备了具有高增面性的37孔粒状发射药,与现有19孔发射药相比,燃烧增面性提高了5%~12%,配合混合装药技术,明显提高大口径火炮弹道效率和炮口动能。基于同材质包覆技术设计的组合装药,具有优异的低温感效应,应用于大口径火炮时,实现了在不增加、甚至降低最大膛压的工况下明显增加炮口动能,提高了射程和威力。特别是新开发的高渐增性、低温感单元模块装药技术,解决了兼顾小号装药燃尽性和大号装药膛压限制的世界性技术难题。依托这种单元模块组成的变装药,实现了与国外先进的双模块装药相同的覆盖全射程的弹道效果;而由其组成的远程装药,在不使用加长身管和提高膛压的手段的条件下提高火炮射程。如在52倍口径、155mm火炮上的射击结果证明,在不提高膛压的条件下可提高火炮射程20%以上,其性能优于国外最先进的高膛压远程火炮。

  在推进剂装药技术方面,我国已掌握了单室多推力装药技术,实现了单室双推力、单室三推力和单室四推力装药设计和应用技术。单室多推力装药技术的应用,可在发动机结构不变条件下总冲提高15%以上。

  在混合炸药装药技术方面,近五年成功开发了几十种造型粉的制备方法,并对相关工艺流程和装备进行了技术升级。在混合炸药装药压制工艺中,新开发的等静压工艺技术,实现了复杂形状炸药件的净成型,从而减少了原材料的损耗。成功研发的精密压装装药技术、爆炸网络装药的浇注工艺、微型爆炸逻辑网络装药的微注射工艺等传爆药装药新方法,满足了新型武器对传爆药装药要求。

  为适应微小型火工器件的结构要求,在研究气相沉积、原位制造、纳米自组装等技术的基础上,开发了含能薄膜、内嵌复合物、多孔含能基材等火工药剂装药新技术,其成品性能明显优于常规装药。

  (五)含能材料测试方法和技术

  基于密闭爆发器燃烧实验,选择恒面燃烧的发射药试样,采用精确的压力测试手段和分段数据处理方法,建立了发射药燃速的精确测试方法,可获得压力指数(n)随压力(p)的变化曲线。开发了测量发射药动态力学性能的动态挤压试验装置和模拟膛内力学环境的多次撞击试验装置,为发射药及其装药的高压动态力学强度和高膛压发射安全性研究提供了新手段。

  基于老化试验及理论模拟计算,建立了NEPE高能固体推进剂的贮存寿命的预测方法。利用固体火箭发动机离心试验,初步建立了高铝粉含量的低燃速HTPB复合推进剂在过载情况下的燃烧加速度敏感性测试方法。利用高压反应釜实时监测系统,原位研究了铝/水反应的放热过程,建立了铝/水体系应用于固体推进剂的评价体系。在研究HTPB推进剂静电放电危险性基础上,建立了固体推进剂静电感度精确测试装置。建立了推进剂燃烧或爆炸产物的内阻和电导率测试方法,为推进剂燃烧产物电学性能的表征和等离子推进剂的研制提供了关键测试手段(也适用炸药瞬态电学性能的表征)。建立了推进剂羽流特性的微波干涉测试方法,实现推进剂尾烟尾焰电子云密度分布的测试。研究了改性双基、富燃料等推进剂标准物质的能量特性,建立了其特征信号测试标准方法。

  在单质炸药性能测试与评估方面,基于动态真空安定性试验法,初步建立了预测CL-20有效贮存寿命的方法。

  建立了较完善的固体推进剂和炸药钝感性能评价测试装置及其安全性分级方法。

  在火工烟火药剂性能测试与评估方面,研究并完善了火工药剂高压电阻率、±50kV静电火花感度和静电积累三参量的连续自动测试方法,建立了火工药剂激光感度、等离子体感度的测试新方法。

  由上可看出,近五年我国含能材料学科领域内取得了一批重要成果,有力推动了我军武器装备的改造和升级换代。其中具有完全自主知识产权的高增面、低温感发射装药和全等单元模块装药两项技术已处于国际领先水平,标志着我国已掌握了设计和制造射程更远、膛压更低、机动性能更好和战场生存能力更强的新一代大口径火炮所必须的发射能源关键技术。CL-20等高能量密度化合物的工程化规模制备技术也已达到国际先进水平,为我国发展能量性能更高、综合性能更加优良的发射药、推进剂和弹药战斗部装药提供了重要的技术和物质条件,进而为推动我国武器装备向弹药远程发射、高效毁伤和精确打击的目标发展注入了强大动力。

三、本学科国内外研究进展比较

  (一)含能材料设计

  与国外先进水平相比,我国含能材料基础较为薄弱,设计与研究仍然主要依靠实验,模拟仿真技术应用较少。我国的发射药能量水平已与国外相当,但品种少,综合性能尚有距离。与发达国家一样,我国高度重视HEDC设计与合成技术,并成功合成了30多个HEDC,但大多为跟踪或改进国外合成方法得到产品,自主设计和合成的品种很少。国外积极将HEDC和高能低感度化合物用于高能低感发射药、推进剂与炸药的配方设计,其中CL-20、DNTF已成功应用于高能混合炸药和不敏感炸药,而我国因HEDC和高能低感化合物品种少、工程化尚未完成,将它们用于配方设计尚处于尝试阶段。国外已将高效能氧化剂ADN和AN应用于新型高能低特征信号推进剂中,而我国尚在开展这些新型氧化剂的应用基础研究。在火工药剂技术方面,我国的设计水平与品种,与国外先进水平相比差距较大,表现在新型火工药剂品种少,在新型火工系统设计时基础药剂的选用范围十分有限。

  (二)含能材料工艺技术

  近年来,我国十分重视含能材料制造工艺技术,研究重点在于连续化、自动化和柔性化,与国外先进工艺技术之间的差距正在缩小,但目前我国在含能材料生产时仍需较多的人工干预,制造工艺和装备水平均较落后。新型基础原材料HEDC、高效氧化剂、高能低感化合物的合成或制备方面,国外发达国家大多已完成工艺放大,部分已具备批量生产能力,但我国开展工程化研究的品种较少,制约了我国高能低感发射药、推进剂和炸药的开发。利用结晶技术制备高品质单质炸药方面,国外已开展了RDX、HMX等多种高品质单质炸药研发,其中D-RDX、D-HMX、NGu、NTO炸药晶体已经完成工程化放大,我国也已突破了关键技术,制得的D-RDX和D-HMX性能与国外相应产品相当,但品种少,工程化研究刚刚开始。我国一直重视基础原材料超细化技术研究,目前的技术水平与俄、美相当。对于火工药剂类含能材料,发达国家已完成起爆药的柔性自动合成,起爆药的新型微反应器制备技术也已进入实用化阶段,我国在火工药剂制备的关键工序也实现了自动化控制,而微反应器合成工艺还处于基础研究阶段。我国投入大量经费用于含能材料生产废水、废气的治理,开发的技术已开始推广应用,相关企业的有害物排放已大幅削减,但与国外先进的绿色生产技术相比,差距仍然显著。

  (三)装药技术与应用技术

  与发达国家相比,我国的发射药装药技术并不落后,有多项技术处于国际先进或者领先,但因基础研究不够深入,影响了部分装药新技术的推广应用。在火工药剂应用于火工品技术上,国外已深入研究了油墨打印、真空镀膜技术和原位装药等火工药剂装药技术,部分技术已用于生产,而相关研究在我国大多刚刚起步。

  (四)测试技术与性能评估

  发达国家已建立了炸药性能的测试和评价方法,考察的性能参数系统全面,而我国则侧重宏观性能的表征,微观结构与炸药材料静态、动态性能之间的关联考虑较少,建立的性能表征方法尚不够全面。国外的炸药性能综合评估模型是基于物理、化学、力学学科的研究基础和相关学科领域的先进技术,其性能预估值准确性较高,而我国在炸药性能预估时,采用了国外的计算模型,因缺乏基础参数,依靠调整模型中的基础参数值进行运算,其结果难以准确可靠地反映我国炸药的性能。

四、本学科发展趋势及展望

  (一)含能材料重点发展方向

  基于我国国情、世界新军事变革和含能材料应用属性的考量,在近中期我国含能材料技术发展过程中应把握的重点发展方向包括:火炮发射药应重点发展高能、高强度、低敏感度、高能量利用率及其装药;固体推进剂应重点发展高能、钝感、低特征信号推进剂;炸药则应重点关注高能、低感品种的发展;火工烟火药剂应把发展重点放在安全、环境友好、高端和个性化品种上。在含能材料设计时,需协调好高能量与低敏感度的关系,以及使用时含能材料与其所处环境的耦合关系。含能材料工艺技术的发展重点应放在安全、绿色环保、高效和精密制造,即在提高产品质量和生产效率、降低生产成本的同时,注重生产过程的本质安全,减少或消除环境污染。

  (二)含能材料发展策略

  为更好地推动本学科的发展,近中期必须加强基础研究,以拓展自主创新思路;在倡导技术创新的同时鼓励技术集成;加快高层次人才培养的同时,充分发挥领军人才在科技创新活动中的作用;重视科研平台建设,优化资源配置;进一步改革科研管理体制,完善管理制度。

Energetic Materials

The status of the development in the discipline of energetic materials of China in recent years is summarized in this report. The term, “energetic materials” in this report refers to propellants, explosives and pyrotechnics that were applied in conventional weapons. According to the function and purpose in weapons, the status of technical development of energetic materials is introduced as gun propellants, rocket propellants, single compound explosives, composite explosives and pyrotechnics in this report successively.

The content of the report covers the most recent researches and/or technical developments of energetic materials at home in the following aspects: relevant theoretical research and computer simulation; design and research on the compositions of energetic materials with higher performances; new process, technology and equipments for the preparation and/or manufacture of energetic materials; charge design and application technology; measuring and testing technology related to energetic materials. Among the above–mentioned aspects, the most representative research achievements are the gun propellant charge technology with highly progressive burning and low temperature sensitivity, uni-modular gun propellant charge technology, the synthesis and engineering scale preparation technology of the high energy density compounds (HEDC) represented by CL-20, thermobaric and fuel-air explosives technology, the processing and manufacturing technology for higher energy NEPE propellants and high solid content HTPB and CMDB propellants, the design and application technology for array infrared decoy compositions and multi-frequency spectrum smoke series compositions, etc.

The theoretical and technical progress in the field of energetic materials of China has effectively accelerated the modification and upgrading of the weapons equipped in the Chinese People’s Liberation Army. The two technologies, the gun propellant charge with highly progressive burning and low temperature sensitivity, as well as the uni-modular gun propellant charge, which have completely independent intellectual property, are at the leading level in the world. This indicates that China has already mastered the key technology in launch energy required by the design and manufacturing of the new large caliber guns with longer firing range, lower chamber pressure, better mobility and stronger survivability. The technology for the engineering scale preparation and/or manufacturing of HEDC such as CL-20 has also reached the world’s advanced technological level. It could provide important technical and physical foundations for developing gun powders, rocket propellants, and ammunition warheads with higher energy performance and better comprehensive characteristics, and would then add powerful driving force in the cause of promoting the development of conventional weapon ammunitions in China towards the goals of long range launching, high efficiency damage and precision striking.

In this report, the technology of energetic materials of China is generally compared with the development of foreign developed countries. It would be seen that large gaps still exist in some main areas of energetic materials, although technology of energetic materials of China has improved greatly and reached the advanced level in the world in a few aspects.

Based on China’s national conditions as well as the current military transformation in the world, the strategic trends and key directions which should be seized for the development of China’s energetic materials technology in short and medium terms are presented. For gun propellants, more attention should be paid to the development of propellants with higher energy and mechanical strength, lower sensitivity, high efficiency of energy usage, as well as the corresponding propellant charges. As to solid rocket propellants, research should be focused on the development of higher energy, lower sensitivity and lower signature propellants. The main point of the development of explosives should be the higher energy and lower sensitivity ones. As to pyrotechnics, emphasis should be put on the development of safe, eco-friendly, high-end and individual compositions. The developing trends of the process technology of energetic materials are safety, green, high efficiency and precision. This is to guarantee the quality of products and to lower the cost of production while guaranteeing the inherent safety of the process and decreasing and/or eliminating the contamination of the environment. In the design of energetic materials, the relation between high energy and low sensitivity should be seriously coordinated. And the coupling relationship between energetic materials and their working environment should be taken into account during their application.

Some suggestions are also presented. They are mainly as follows: strengthening relevant fundamental research to raise up the ability of self-dependent innovation; emphasizing technology innovation as well as encouraging technology integration; accelerating the cultivation of high level talents and giving full play to leaders in their innovation activity; paying attention to the construction of scientific research platform and optimizing the allocation of necessary resources; reforming the management system for scientific research and improving management regulations.

A brief introduction to the organizational structure, technical force and talent cultivation of the discipline of energetic materials of China is also given in the report.

Taking a panoramic view of the fast development as well as the fruitful achievements which have made by the discipline of energetic materials in China, it reflects that China’s ordnance science and technology circle has made great contributions to the construction of modernization of the national defense,accompanying the enhancement of the actual strength, advancement of the technical level and boosting of the vitality.