黃 輝，黃亨建

(中國(guó)工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

1 炸藥的感度及其多尺度結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

炸藥是武器裝備實(shí)現(xiàn)高效毀傷的能源物質(zhì)，其感度直接影響武器彈藥的安全性。炸藥的感度是指炸藥在受到熱刺激、機(jī)械刺激、沖擊波、靜電和射流等作用下的敏感度。由于炸藥的亞穩(wěn)態(tài)爆炸特性，其在受到意外刺激時(shí)容易發(fā)生意外爆炸導(dǎo)致彈藥安全事故，這不僅損失慘重，而且直接影響裝備的生存與戰(zhàn)斗力。美歐國(guó)家自20世紀(jì)90年代以來(lái)提出并實(shí)施了鈍感彈藥(insensitive munition，IM)計(jì)劃[1]，其核心就是發(fā)展不敏感炸藥。同時(shí)，能量越高的炸藥感度越高，安全性越差，炸藥的能量與安全性的突出矛盾，成為制約高性能炸藥及彈藥發(fā)展的主要瓶頸[2]。

通常用于裝填武器彈藥的裝藥是以單質(zhì)炸藥為主成分(填料)、以聚合物為粘結(jié)劑(連續(xù)相)或以熔鑄型含能化合物(如三硝基甲苯、二硝基苯甲醚等)或熱熔型石蠟為載體的混合炸藥。其中，聚合物粘結(jié)炸藥(polymer bounded explosive,PBX)是當(dāng)前發(fā)展不敏感混合炸藥的主流產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代武器彈藥。PBX具有多組分、多尺度結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定了彈藥裝藥安全性的多尺度相關(guān)性，涉及到單質(zhì)炸藥分子結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性、炸藥分子堆積及晶體品質(zhì)、顆粒尺度和混合炸藥組成結(jié)構(gòu)3個(gè)層面與感度的關(guān)系。因此，為滿足彈藥高毀傷威力要求，可以從炸藥的多尺度結(jié)構(gòu)上平衡炸藥高能量與不敏感之間的突出矛盾。通過(guò)不敏感含能分子的設(shè)計(jì)與合成、晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)調(diào)控與高品質(zhì)晶體降感技術(shù)、基于力熱耗散的高效協(xié)同降感技術(shù)、高能不敏感混合炸藥的設(shè)計(jì)制備等多尺度系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能優(yōu)化，是獲得高能不敏感炸藥、發(fā)展高威力安全彈藥的重要途徑之一。

2 炸藥分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與其機(jī)械感度及熱感度的關(guān)系

分子是構(gòu)成單質(zhì)炸藥的基本單元，是炸藥多尺度結(jié)構(gòu)的開(kāi)始。炸藥分子的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)等對(duì)炸藥感度有重要影響，研究其與機(jī)械感度及熱感度關(guān)聯(lián)的特征參量及相互關(guān)系是炸藥分子設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。炸藥對(duì)外界刺激的敏感度首先取決于炸藥分子在刺激下發(fā)生化學(xué)鍵斷裂的難易程度，即分子的穩(wěn)定性。因此，決定炸藥感度的關(guān)鍵特性之一是炸藥的分子穩(wěn)定性，其是提高炸藥固有安全性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。對(duì)炸藥分子高度穩(wěn)定有利的化學(xué)結(jié)構(gòu)因素包括芳香環(huán)、分子幾何構(gòu)型呈平面或近平面、分子間氫鍵、高對(duì)稱(chēng)性、含氨基和強(qiáng)的C—NO2鍵、無(wú)較弱的N—NO2鍵等。例如，目前最鈍感的炸藥分子TATB就具有上述所有典型的特征結(jié)構(gòu)，TATB炸藥對(duì)火燒、高速撞擊、破片與子彈沖擊等各種刺激以及在意外事故條件下均不敏感，表現(xiàn)出像木頭一樣的鈍感，安全性極好。

類(lèi)似的具有部分上述典型結(jié)構(gòu)特征的含能分子也表現(xiàn)出較低的機(jī)械感度及熱感度，如NTO(3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮)、FOX-7(1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯)、LLM-105(2，6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氮氧化物)等。典型低感和高能單質(zhì)炸藥及主要性能列于表1[3]。從表1可知，分子越穩(wěn)定，其感度越低，同時(shí)其能量也相對(duì)較低。因此，要發(fā)展高能量的不敏感炸藥裝藥，在分子設(shè)計(jì)層面需要解決炸藥分子穩(wěn)定性與能量之間的矛盾，為此需深入研究影響炸藥分子穩(wěn)定性和能量的因素。

表1 典型低感和高能單質(zhì)炸藥的性能[3]

研究表明，以最弱鍵為描述對(duì)象的硝基電荷、鍵離解能[4]，和以骨架為描述對(duì)象的籠張力能[5]、共振能[6]、大π-π分離能[7]等從統(tǒng)計(jì)學(xué)上能較好地表征分子的穩(wěn)定性，而炸藥密度和氧平衡等與炸藥能量存在正相關(guān)性。張朝陽(yáng)[8]等在研究分子幾何構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)、離解能、骨架、取代基等對(duì)穩(wěn)定性的影響規(guī)律基礎(chǔ)上，綜合考慮影響穩(wěn)定性和能量的各因素，提出了低感高能炸藥的設(shè)計(jì)原則: 近平面共軛分子結(jié)構(gòu)；堆積密度≥1.78 g/cm3；適中的氧平衡；最弱鍵離解能大于56 kcal/mol等。

為快速開(kāi)發(fā)出滿足上述要求的低感高能單質(zhì)炸藥，作者團(tuán)隊(duì)[9-12]采用材料基因組方法，基于高通量計(jì)算進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)和合成路線設(shè)計(jì)，自主開(kāi)發(fā)出若干低感高能化合物。

綜上，分子穩(wěn)定性是單質(zhì)炸藥機(jī)械感度及熱感度的決定因素之一，不敏感含能分子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是協(xié)調(diào)分子穩(wěn)定性與能量的制約關(guān)系，今后應(yīng)加強(qiáng)以下方面研究：① 深入系統(tǒng)地研究影響炸藥分子穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素及參量，建立及完善基于幾何構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)、鍵離解能、骨架及取代基等的分子穩(wěn)定性模型與數(shù)據(jù)庫(kù)；② 利用材料基因工程進(jìn)行高通量分子設(shè)計(jì)與高通量合成研究，以大幅提高炸藥分子設(shè)計(jì)與合成的效率和優(yōu)選度；③ 由于協(xié)調(diào)單質(zhì)炸藥的能量與感度十分困難，往往難以在單一分子內(nèi)完全滿足要求，可以探索研究基于低感炸藥分子和高能炸藥分子組合的超分子炸藥的設(shè)計(jì)理論、穩(wěn)定性與調(diào)控機(jī)制、組裝技術(shù)等，探索出一條新型炸藥設(shè)計(jì)研發(fā)的新路徑。

3 炸藥的分子堆積和晶體品質(zhì)與其機(jī)械感度和沖擊波感度的關(guān)系

單質(zhì)炸藥的感度不僅取決于分子的穩(wěn)定性，也取決于其晶體結(jié)構(gòu)及品質(zhì)。炸藥晶體顆粒是組成實(shí)際使用的PBX炸藥的基本主體單元。當(dāng)外界刺激作用于PBX炸藥時(shí)，能量傳遞到炸藥晶體顆粒，通過(guò)晶體滑移、破碎等耗散部分能量，剩余的能量導(dǎo)致炸藥分子發(fā)生分解、燃燒甚至爆炸等反應(yīng)(反應(yīng)速率與分子穩(wěn)定性有關(guān))，因此，炸藥的晶體結(jié)構(gòu)及品質(zhì)是決定炸藥敏感度的關(guān)鍵特性之一。近20年來(lái)，對(duì)現(xiàn)有高能炸藥從晶體層面解決其安全性問(wèn)題已成為研究熱點(diǎn)，是獲得不敏感PBX材料，提高炸藥固有安全性的重要環(huán)節(jié)之一。

3.1 炸藥分子堆積與其機(jī)械感度和沖擊波感度的關(guān)系

炸藥晶體是炸藥分子基于對(duì)稱(chēng)性、相互作用力等按一定的空間點(diǎn)陣形成的有序堆積體。不同炸藥分子的堆積方式(平面堆積、非平面堆積)、堆積系數(shù)(晶胞中的分子數(shù)在2～8個(gè)不等)及晶體結(jié)構(gòu)(如晶型)均不同，相應(yīng)的機(jī)械感度也不同。如HMX分子非平面堆積形成的單斜或正交晶系的HMX晶體比較敏感，而TATB分子平面堆積形成的三斜晶系的TATB晶體極鈍感(當(dāng)然分子穩(wěn)定性也起著決定作用)，圖1給出了6種典型單質(zhì)炸藥的晶體結(jié)構(gòu)與分子堆積方式。

即使是同一炸藥分子，通常也存在不同堆積方式形成的多種晶型，感度也存在明顯差異。分子堆積方式主要取決于分子間的偶極作用、氫鍵和范德華力，炸藥分子中通常含有多個(gè)硝基，不同的硝基取向、晶格堆積方式及晶胞內(nèi)分子數(shù)使其具有不同的空間構(gòu)型，形成敏感度不同的多種晶型。比如，HMX有α、β、γ和δ4種晶型，β晶型機(jī)械感度最低；CL-20有α、β、γ、ε及ζ 5種晶型，ε晶型機(jī)械感度最低。炸藥的應(yīng)用通常選用最穩(wěn)定的、感度低的晶型，這就需要對(duì)單質(zhì)炸藥在合成制造中的結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行控制，以獲得穩(wěn)定的晶型。

平面層狀堆積結(jié)構(gòu)的炸藥通常具有較低的機(jī)械及沖擊波感度，這主要?dú)w因于層狀堆積結(jié)構(gòu)具有良好的潤(rùn)滑性。石墨是自然界中典型的層狀堆積結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，常用于炸藥的鈍感劑。目前最鈍感的TATB炸藥就具有石墨的層狀堆積結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于耗散由撞擊或沖擊波導(dǎo)致的剪切和滑移能量，從而降低熱點(diǎn)生成概率，炸藥就表現(xiàn)出對(duì)外界刺激不敏感。實(shí)際上，低感高能炸藥的分子通常是含π鍵的共軛結(jié)構(gòu)，通過(guò)π-π層狀堆積構(gòu)成晶體，這種堆積既有利于獲得較低感度，又利于獲得較高的密度和能量。張朝陽(yáng)等[13, 14]研究認(rèn)為，π-π堆積主要有面對(duì)面、波狀、十字形和混合型4種堆積方式，TATB屬于面對(duì)面層堆積，F(xiàn)OX-7、NTO、LLM-105屬于波狀層堆積(如圖1所示)。

圖1 幾種單質(zhì)炸藥的晶體結(jié)構(gòu)及分子堆積方式

3.2 晶體各向異性與沖擊波感度的關(guān)系

炸藥晶體具有各向異性，不同晶面的感度也有所差異。炸藥晶體不同晶面對(duì)外界力熱載荷的空間位阻不同，響應(yīng)行為和敏感性各異，表現(xiàn)出各向異性的感度，尤其是各向異性的沖擊起爆特性。研究表明[15-18],PETN單晶在受到垂直于(110)和(001)晶面的沖擊波作用下,沖擊壓力達(dá)到8.4 GPa時(shí),便發(fā)生爆轟；而在沖擊波垂直于(100)晶面時(shí),沖擊壓力達(dá)到31.3 GPa時(shí),才發(fā)生爆轟；(110)面受沖擊時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、溫度升高速率和產(chǎn)物釋放量明顯高于(100)面，表明前者對(duì)沖擊更敏感。

3.3 晶體品質(zhì)與撞擊感度和沖擊波感度的關(guān)系

研究表明，炸藥晶體品質(zhì)對(duì)感度有顯著影響。晶體品質(zhì)包括晶體內(nèi)部品質(zhì)和外部品質(zhì)，內(nèi)部品質(zhì)主要指有無(wú)孔洞、位錯(cuò)、包藏物等內(nèi)部缺陷(常以空隙率或表觀密度表征)，外部品質(zhì)主要指有無(wú)裂紋、孿晶等表面缺陷(常以形貌等表征)。品質(zhì)低的炸藥晶體在沖擊等作用下，易在晶體內(nèi)部形成絕熱壓縮的熱點(diǎn)，同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)易塌陷，因而其感度較高。以HMX為例，品質(zhì)完美的單晶(如圖2a所示)需約30 GPa的壓力才能起爆，而含缺陷的多晶(如圖2b所示)只需2～4 GPa的壓力即可起爆。當(dāng)然，單晶需要苛刻的條件才能長(zhǎng)成，實(shí)際應(yīng)用的都是多晶。而多晶通常含有缺陷，作者團(tuán)隊(duì)研究了表觀密度、孿晶等晶體品質(zhì)對(duì)RDX、HMX、CL-20單質(zhì)炸藥感度的影響[19]，結(jié)果表明：在一定密度范圍內(nèi)，撞擊感度和沖擊波感度隨晶體表觀密度的升高而顯著降低；晶體表觀密度相同時(shí)，顆粒粒徑越大，長(zhǎng)脈沖作用下沖擊波感度越高；孿晶對(duì)感度有重要影響，含孿晶的HMX(如圖2c所示)的沖擊波感度比無(wú)孿晶HMX高約20%，這主要是因?yàn)閷\晶間摩擦和晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積產(chǎn)生熱點(diǎn)。

圖2 HMX的完美單晶(a)、多晶(b)與孿晶(c)[19]

單質(zhì)炸藥是武器彈藥的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)，如何在保持其高能量的同時(shí)降低感度是發(fā)展IM的一個(gè)重要問(wèn)題，高能單質(zhì)炸藥的高品質(zhì)化及鈍感化是一條重要途徑。2000年，法國(guó)率先獲得高品質(zhì)晶體降感RDX(I-RDX)[20, 21]，其沖擊波感度比普通RDX降低30%左右，后來(lái)，又研發(fā)了高品質(zhì)HMX(I-HMX)[22]，引起各國(guó)高度重視。歐美的幾大炸藥公司(如法國(guó)Eurenco、德國(guó)ICT、以色列IMI、荷蘭TNO、挪威Dyno Nobel ASA)開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用I-RDX/I-HMX，鈍感彈藥的發(fā)展也進(jìn)入了一個(gè)新的高度。

自2000年前后，作者團(tuán)隊(duì)與國(guó)外幾乎同步開(kāi)展了高品質(zhì)晶體降感HMX的研究，相繼研發(fā)出不同于通常技術(shù)路線的“相轉(zhuǎn)化”HMX結(jié)晶方法和RDX程序控溫結(jié)晶技術(shù)，通過(guò)控制RDX/HMX的結(jié)晶歷程和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶體內(nèi)部缺陷和晶體密度的精確控制，得到了沖擊波感度顯著降低的高品質(zhì)鈍化RDX/HMX(代號(hào)為D-RDX/D-HMX)[23, 24]。產(chǎn)品晶型穩(wěn)定，顆粒度可控、缺陷少、均勻規(guī)整，達(dá)到理論密度的99.5%以上。尤其是無(wú)孿晶，細(xì)顆粒機(jī)械感度優(yōu)于國(guó)外水平，獲得國(guó)際同行的認(rèn)可[25]。D-HMX粗細(xì)顆粒級(jí)配后沖擊波感度降幅達(dá)39%，優(yōu)于國(guó)外高品質(zhì)HMX(如法國(guó)ISL降感HMX)沖擊波感度20%的降幅水平。將高品質(zhì)HMX、RDX應(yīng)用于混合炸藥裝藥及鈍感彈藥中，可有效改善和提高其安全性。

綜上，炸藥晶體的分子堆積和品質(zhì)對(duì)炸藥機(jī)械感度和沖擊波感度有重要影響，通過(guò)結(jié)晶技術(shù)調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)炸藥分子堆積的高品質(zhì)化是提升炸藥安全性的有效途徑。高品質(zhì)炸藥的結(jié)晶控制技術(shù)對(duì)其他單質(zhì)炸藥也有實(shí)用價(jià)值，如應(yīng)用于CL-20等第三代含能材料，對(duì)發(fā)展高毀傷安全彈藥具有重要意義。另一方面，運(yùn)用炸藥結(jié)晶控制技術(shù)探索不同分子的共晶炸藥和超分子炸藥的晶體調(diào)控與制備，可能是一種有效匹配炸藥能量和感度的新途徑。

4 PBX的組成和結(jié)構(gòu)與其機(jī)械感度和沖擊波感度的關(guān)系

用于裝填彈藥的PBX炸藥的能量和感度均與單質(zhì)主炸藥及其他含能組分的比例有強(qiáng)關(guān)聯(lián)。若選擇不敏感單質(zhì)作主炸藥，制備的PBX感度較低，主炸藥含量越少，PBX的感度越低，但能量也越低，反之則越高。為獲得高的能量輸出，PBX通常是由85%～95%的含能組分(單質(zhì)炸藥、鋁粉、氧化劑等)和5%～15%的功能添加劑(高聚物粘結(jié)、增塑劑、鈍感劑等)組成的多組分復(fù)合體系，其構(gòu)效關(guān)系涉及到組分及含量、顆粒度、空隙度、表界面等諸多影響因素。為滿足彈藥高毀傷和高安全要求，需平衡協(xié)調(diào)PBX的高能量水平即高含量主炸藥與高感度之間的矛盾。深入研究PBX炸藥組成結(jié)構(gòu)與感度的關(guān)系，發(fā)展主炸藥高效降感技術(shù)，是高能不敏感PBX炸藥研究的熱點(diǎn)。PBX炸藥的感度主要受化學(xué)和物理兩方面因素影響，化學(xué)因素主要包括如前所述的分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和晶體品質(zhì)；物理因素包括主炸藥的顆粒度、功能添加劑的理化性質(zhì)和種類(lèi)以及PBX的組成與微結(jié)構(gòu)等。

4.1 主炸藥顆粒度對(duì)PBX機(jī)械感度和沖擊波感度的影響

減小單質(zhì)炸藥的顆粒度有利于降低PBX的機(jī)械感度。PBX是含能顆粒高度填充的非均質(zhì)復(fù)合材料，含能顆粒尺寸減小，其平均空隙尺寸也相應(yīng)減小，在外界刺激下形成熱點(diǎn)融合的概率減小，從而機(jī)械感度及沖擊波感度降低。劉玉存等[26]研究了顆粒度(1～125 μm)對(duì)RDX基壓裝PBX沖擊波感度的影響，結(jié)果表明,沖擊波感度隨RDX顆粒度的減小而降低。Daniel等的研究[27]也表明，以細(xì)顆粒替代配方中的粗顆粒，撞擊感度降低40%以上。當(dāng)HMX和RDX顆粒細(xì)化到納米級(jí)時(shí)，其長(zhǎng)脈沖沖擊波感度分別降低60%[28]和45%[29]。

主炸藥顆粒級(jí)配對(duì)PBX炸藥感度也有影響。PBX中主炸藥顆粒形狀、尺寸及粒徑分布對(duì)顆粒的堆積、固相含量和空隙率有直接影響，從而影響PBX的工藝性、感度和爆轟性能等，采用優(yōu)化的顆粒級(jí)配模型[30]是提高PBX的綜合性能尤其是安全性的有效途徑。作者團(tuán)隊(duì)研究表明，采用D-HMX結(jié)合顆粒級(jí)配模型可使壓裝PBX的沖擊波感度降低40%。劉玉存等[26]的研究也表明RDX經(jīng)過(guò)顆粒級(jí)配后沖擊波感度也有明顯差異。但是，顆粒級(jí)配對(duì)機(jī)械感度及沖擊波感度的影響程度決定于炸藥種類(lèi)、晶體品質(zhì)、空隙率等因素的綜合作用。

4.2 功能添加劑對(duì)PBX機(jī)械感度和沖擊波感度的影響

功能添加劑作為PBX中的惰性組分，起著對(duì)主炸藥及其他含能顆粒包覆、隔離和粘結(jié)等作用，同時(shí)對(duì)外界意外刺激的熱力載荷起到吸熱、緩沖、禁錮耗散等作用，通過(guò)減小炸藥熱點(diǎn)生成和傳播概率從而降低炸藥的機(jī)械感度和沖擊波感度。其降感效果與添加劑的熱性質(zhì)(熔化潛熱、熱導(dǎo)率等)、力學(xué)特性(硬度、強(qiáng)度等)、界面特性(界面張力、鋪展系數(shù)等)等有關(guān)。黃亨建等[31]對(duì)石蠟、硬脂酸、聚乙烯等添加劑對(duì)RDX的機(jī)械降感的影響研究表明，降感效果與添加劑對(duì)RDX的鋪展系數(shù)和粘附功存在線性關(guān)系。陳軍等[32, 33]對(duì)石墨、石蠟等對(duì)HMX的沖擊波降感機(jī)制進(jìn)行研究，認(rèn)為沖擊波在HMX與添加劑界面折射產(chǎn)生橫波分量，從而禁錮、耗散部分沖擊波能量，其禁錮耗散率與界面張力有關(guān)(如圖3所示)。段卓平等[34]基于發(fā)展后的彈塑性雙球殼熱點(diǎn)塌縮模型計(jì)算認(rèn)為，粘結(jié)劑含量和強(qiáng)度增大，到爆轟時(shí)間變長(zhǎng)(如圖4a所示)。

圖3 添加劑對(duì)HMX的能量禁錮耗散降感機(jī)理[32, 33]:(a)波在HMX/石墨界面反射/折射路徑，(b)HMX/石墨混合物在撞擊后8 ps的能量密度分布，(c)能量禁錮和耗散率與界面張力的關(guān)系

4.3 PBX的微結(jié)構(gòu)對(duì)其機(jī)械感度和沖擊波感度的影響

PBX的微結(jié)構(gòu)影響其機(jī)械感度和沖擊波感度。根據(jù)熱點(diǎn)理論，PBX內(nèi)部孔洞等微結(jié)構(gòu)是形成絕熱壓縮熱點(diǎn)的來(lái)源之一，熱點(diǎn)的數(shù)量、尺寸、分布等與PBX炸藥感度和點(diǎn)火起爆等行為密切相關(guān)。在PBX制造成型過(guò)程中,含能顆粒的不同粒度及形貌、顆粒堆積方式、與功能添加劑的界面作用等的不同會(huì)導(dǎo)致形成不同的微結(jié)構(gòu)，在PBX使用過(guò)程中，受溫度變化等環(huán)境因素影響，也會(huì)進(jìn)一步使微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或者產(chǎn)生新的微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)通常用相對(duì)密度和空隙體積分?jǐn)?shù)表征，目前的基本認(rèn)識(shí)是，PBX的相對(duì)密度越低、空隙體積分?jǐn)?shù)越大，其沖擊波感度越高，到爆轟距離越短，對(duì)彈藥裝藥的安全性越不利。例如，段卓平等[34]的研究表明PBX到爆轟距離隨炸藥密度增大非線性遞增；Vandersall等[35]研究得到幾種具有不同相對(duì)密度的HMX基壓裝PBX的到爆轟距離與輸入壓力的關(guān)系(見(jiàn)圖4b)；Levesque等[36]研究了不同沖擊壓力下，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c空隙半徑的關(guān)系(見(jiàn)圖4c)。因此，深入研究PBX微結(jié)構(gòu)對(duì)其機(jī)械感度和沖擊波感度的影響，并有效控制其裝藥質(zhì)量，對(duì)于鈍感彈藥的發(fā)展具有重要意義。

圖4 與PBX微結(jié)構(gòu)相關(guān)的因素對(duì)PBX沖擊起爆的影響[34-36]：(a)到爆轟時(shí)間與不同強(qiáng)度粘結(jié)劑的含量的關(guān)系，(b)不同PBX的到爆轟距離與輸入壓力的關(guān)系，(c)36 GPa壓力下具有不同空隙半徑的PBXs的火焰速度與時(shí)間的關(guān)系

4.4 高能不敏感PBX實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)途徑

不敏感PBX是IM的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。早期常用的不敏感炸藥能量偏低，用于設(shè)計(jì)IM的PBX裝藥的毀傷威力不高。1990年代法國(guó)開(kāi)發(fā)了以NTO為基的PBX2214、PBX2248等不敏感PBX炸藥，能量明顯提高，被用于爆破和殺爆戰(zhàn)斗部。為發(fā)展高效毀傷彈藥，高能不敏感PBX成為研究熱點(diǎn)，其設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是基于單質(zhì)炸藥分子、炸藥晶體顆粒、PBX復(fù)合體系的多尺度結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的感度與能量的平衡協(xié)調(diào)。除了深入研究炸藥分子和晶體層次的構(gòu)效關(guān)系以獲得高能量的不敏感單質(zhì)炸藥外，還需在復(fù)合體系層次深入系統(tǒng)地研究PBX配方設(shè)計(jì)理論與方法、定量構(gòu)效關(guān)系、高效降感方法與技術(shù)，探索多目標(biāo)、多變量的非線性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法等。概括起來(lái)，目前高能不敏感PBX的主要實(shí)現(xiàn)途徑包括以下幾個(gè)。

途徑一：基于常用高能單質(zhì)主炸藥的配方設(shè)計(jì)和鈍感技術(shù)。通過(guò)添加9%～15%的鈍感劑、增塑劑和高聚物等對(duì)主炸藥進(jìn)行物理降感。這一類(lèi)炸藥主要是2000年前研制的基于RDX、HMX等的不敏感PBX，如PBXW115、Rowanex1001、AFX-757、GO-924、GH-925等，可滿足IM標(biāo)準(zhǔn)的主要要求，在IM(如GBU-39B、AGM-114K、AGM-158等)中得到較廣泛的應(yīng)用[1]。

途徑二：基于高品質(zhì)單質(zhì)主炸藥的配方設(shè)計(jì)和深鈍感技術(shù)。通過(guò)添加功能助劑對(duì)主炸藥進(jìn)一步降感,并通過(guò)高聚物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控力學(xué)性能。這一類(lèi)炸藥主要是2000年后研制的基于I-RDX和I-HMX的澆鑄PBX，能夠滿足更多的IM標(biāo)準(zhǔn)要求，成為IM發(fā)展的重要方向。歐美一些主要的生產(chǎn)廠家，如ERENCO、SNPE、Dyno Nobel、Holston等，將其用在一系列彈藥中，推動(dòng)了IM的發(fā)展。表2列出了EURENCO生產(chǎn)的以I-RDX為基的鈍感彈藥及其所應(yīng)用的武器系統(tǒng)[37]。中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所在澆鑄和壓裝PBX研制中綜合運(yùn)用高品質(zhì)D-RDX/D-HMX、顆粒級(jí)配等技術(shù)，獲得了多種鈍感性能優(yōu)異的PBX炸藥，用于戰(zhàn)斗部裝藥。

表2 Insensitive RDX(I-RDX)為基的不敏感炸藥及其應(yīng)用[37]

途徑三：以不敏感單質(zhì)炸藥替換常用的RDX、HMX等的混合炸藥。早期研究的主要有以NTO、NQ和鈍感炸藥TATB等為基的混合炸藥，其能量偏低；后來(lái)發(fā)展了以FOX-7、TEX等新型高能不敏感單質(zhì)炸藥為基的PBX炸藥，這方面的應(yīng)用研究還在進(jìn)行中。EURENCO公司研究表明，以FOX-7替換PBXN-109中的RDX，其沖擊波感度(LSGT試驗(yàn)起爆壓力6.82 GPa)比I-RDX基PBXN-109的低27%(LSGT試驗(yàn)起爆壓力5.37 GPa)[38]。另有研究[39]表明，F(xiàn)OX-7在澆鑄和壓裝PBX中均顯示了良好的安全性，其烤燃反應(yīng)烈度為燃燒或爆燃。

途徑四：基于PBX炸藥構(gòu)效關(guān)系的協(xié)同設(shè)計(jì)。綜合考慮影響PBX炸藥多種感度的物理化學(xué)因素，從單質(zhì)材料特性(包括含能鈍感劑)、組分匹配和PBX細(xì)觀微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑等方面進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，在保持較高能量水平的前提下顯著降低PBX的機(jī)械感度、熱感度和沖擊波感度，這方面的技術(shù)和方法鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所在深入研究PBX炸藥組成與性能的定量構(gòu)效關(guān)系基礎(chǔ)上，初步建立了PBX多目標(biāo)非線性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)模型和方法[40],在組成和配比上初步實(shí)現(xiàn)了典型配方能量、感度和力學(xué)性能的匹配設(shè)計(jì)；基于能量耗散機(jī)理，運(yùn)用高品質(zhì)炸藥、超細(xì)鈍感單質(zhì)炸藥、相變材料，綜合考慮各組分顆粒表面特性及感度特點(diǎn)等因素，設(shè)計(jì)了基于表面緩沖及相變吸熱等差異化組合鈍感結(jié)構(gòu)，消除多組分異質(zhì)含能顆粒的相互增敏效應(yīng)；開(kāi)發(fā)了適應(yīng)組合鈍感結(jié)構(gòu)的功能鈍感材料和分段包覆技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多組分復(fù)雜含能體系的協(xié)同鈍感，撞擊感度較同類(lèi)炸藥降低50%以上。

5 結(jié) 語(yǔ)

不敏感炸藥是提高彈藥安全性的根本途徑，高能不敏感單質(zhì)炸藥及PBX炸藥是實(shí)現(xiàn)武器彈藥安全可靠、高效毀傷的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)。PBX炸藥的感度特性與單質(zhì)炸藥分子、炸藥晶體和復(fù)合體系的多尺度結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。不敏感含能分子的設(shè)計(jì)與合成、晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)調(diào)控與高品質(zhì)晶體降感技術(shù)、高效協(xié)同降感技術(shù)及PBX炸藥多尺度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制備，是獲得高能不敏感PBX炸藥的主要途徑。

不敏感含能分子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是協(xié)調(diào)分子穩(wěn)定性與能量的制約關(guān)系。建立、完善基于幾何構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)、鍵離解能等的分子穩(wěn)定性模型與數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)含能材料基因組工程研究，探索超分子炸藥的設(shè)計(jì)理論、穩(wěn)定性與調(diào)控機(jī)制、組裝技術(shù)等，應(yīng)是今后高能不敏感單質(zhì)炸藥發(fā)展的重要方向。

通過(guò)單質(zhì)炸藥結(jié)晶設(shè)計(jì)與精細(xì)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)炸藥晶體的高品質(zhì)化，是既保持炸藥高能量又降低其感度的有效途徑。今后，應(yīng)加強(qiáng)第三代單質(zhì)炸藥的高品質(zhì)晶體降感技術(shù)攻關(guān)、探索共晶炸藥和超分子單質(zhì)炸藥的晶體調(diào)控與制備，通過(guò)對(duì)多種單質(zhì)炸藥在晶格或晶界尺度上有效平衡炸藥能量與感度，可能是獲取高能不敏感炸藥晶體的重要途徑。

致謝：文章撰寫(xiě)參考了“973”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)同事的相關(guān)報(bào)告及部分?jǐn)?shù)據(jù)，張朝陽(yáng)、徐瑞娟、李洪珍、黃明、劉永剛、韓勇、柴傳國(guó)、黃石亮等提供了部分?jǐn)?shù)據(jù)和資料，在此表示感謝！