北理工“CL-20”如何征服世界炸药“最高峰”
qju 发表于 2023/05/15 05:01 一品 百草园 (www.ywpw.com)
时隔14年，一项名为“CL-20”的火炸药研究项目再次出现在公众视野中。
这一研究项目曾于2001年凭借其重大原始理论创新获得国防科工委科学技术一等奖。今年年初，它又凭借其工程化的重大贡献斩获2015年度国防科技进步特等奖。
获奖的“CL-20”炸药，是目前已知能够实际应用的能量最高、威力最强大的非核单质炸药。
这型学名为六硝基六氮杂异伍兹烷的炸药，爆轰速度高达9500米/秒，被称为“第四代炸药”，也被誉为“突破性含能材料”，是一种划时代的全新高爆军用炸药，在世界火炸药学界享有盛名。
更重要的是，这型炸药的诞生，为包括导弹、核装置等一批武器装备的效能提升、小型化带来了新的发展契机。
获奖的“新一代含能材料研究及其工程化”项目由被称为中国火炸药“国家队”的北京理工大学牵头完成。“CL-20工程化”的获奖，也标志着北京理工大学火炸药学科历尽30余年将这座世界炸药的“最高峰”彻底征服。
火炸药的发展历经了4个阶段。目前国际通行的说法，是以炸药爆炸时爆轰波的传播速度作为标准，将炸药分为四代。
第一代炸药是由诺贝尔发现的“硝化甘油”，第二代炸药是在二战中发挥了极大作用的三硝基甲苯（代号TNT）。TNT是通过人工有机合成的烈性炸药，其爆炸能力足够强，性质稳定，可用于机关火炮的密集火力射击，使得战争残酷性大为提高，直到现在仍大量使用。
而第三代炸药黑索金产生于二战之后，它的爆轰速度达到8500~8600米/秒，用于多管火箭重炮的规模压制打击，能大规模提高武器的威力和射程；其次是爆轰速度达到9000米/秒的奥克托金，它的撞击感度比TNT略高，容易起爆，安定性较好、综合性能高，在海湾战争中，用于远程火箭导弹的非接触不对称作战。
上世纪70年代末，由于始终未能有新的炸药撼动奥克托金作为世界高能炸药“王牌”的领先地位，高能炸药的合成陷入低谷。
曾经为“两弹一星”工程作出重要贡献的炸药专家于永忠教授也面临同样的困惑。在反复思索中，他抛弃传统研究思路，将目光聚焦于单质炸药材料本身，聚焦于材料的分子结构，大胆地提出将炸药材料分子结构由平面环状结构改变为笼型结构，将多硝基笼形化合物作为新的研究方向。
这一“二维”到“三维”的创新理论，为单质炸药研究带来飞跃性提升。于永忠于1979年在国际上首先合成出具有笼形结构的单质炸药797#，验证了笼形高密度材料理论的可行性，并提出把797#的4个氧原子转化为4个N-NO2，即为后来国际通行的代号CL-20。
1984年，于永忠在花甲之年来到北京工业学院（现北京理工大学）担任博士生导师。10年之后，于永忠成功在实验室实现了CL-20的样品合成。
“CL-20是三维立体的笼状结构，其制作工艺难度可想而知。由于北理工在含能材料领域的长期积淀，我们硬是自己做出来了。”北理工材料学院教授谭惠民说。
然而验证理论仅仅开启了学校CL-20研制事业的第一步，鉴于国内外合成的CL-20成本很高，影响其广泛应用，更大的挑战是如何寻找到最佳的合成方法。
为了破解这个难题，北理工欧育湘、赵信岐等专家开始了对CL-20合成工艺的探索。最终开发出了多条具备实用价值的“CL-20”合成工艺路线，其中TAIW基等合成路线属国际首创，并实现了“CL-20”材料1公斤级的合成能力。这一突破使北理工成为全国研究单位“CL-20”材料的“供应商”。
取得了阶段性成果后，老一辈火炸药专家也因年事渐高逐渐退出了科研一线，然而CL-20的研究事业并没有停顿。以庞思平教授为代表的新一代火炸药人扛起了沉甸甸的责任。庞思平自学生时代即参加CL-20的研究工作，2002年博士毕业后留校任教，继续从事CL-20及相关研究。
而后，为了最大程度提高炸药的能量水平，将高能炸药的能量密度、爆速、猛度、热稳定性和化学稳定性等各类指标提升到一个全新的高度，庞思平及其团队对笼形结构，多氮杂结构的合成方法及储能原理深入研究，提出了笼形高能量密度材料新概念及原理，突破了传统平面高能材料能量难以提高的瓶颈。
庞思平团队的研究成果发表在了《Angew》《Chem》等国际著名期刊上。2013年，《Chemistryword》在专题报道中提到“含能材料发展面临高能量与低感度的矛盾，中国的科学家通过设计并合成具有刚性的三维立体骨架结构的含能材料成功解决了这一挑战”。美国国家科学奖章获得者Shreeve对其评价称：“三维笼型含能材料的概念为发展新一代高性能炸药的发展提供新的思路。”
从于永忠成功合成样本、赵信岐等多个课题组创新探索多条先进合成工艺路线、欧育湘实现1公斤级合成能力到最终解决工业化生产关键技术，再到近年来设计合成具有刚性的三维立体骨架结构的含能材料……
当21世纪进入了第二个10年，CL-20在生产领域的问题被逐一解决，自此CL-20项目在经过32年的研究之后，终于由理论创新，化作对中国国防力量提升实实在在的贡献。北理工也实现了“做中国自己的炸药，做世界最棒的炸药”的梦想。
通讯员 王征 和霄雯 中国青年报·中青在线记者 诸葛亚寒 《 中国青年报 》（ 2016年04月26日11版）【完】
曾经为中国核武器研发出第一代引爆药的炸药专家于永忠认为，传统的平面环状分子结构的炸药，已经发展到了极限，要想提高炸药威力，那么就只能把平面变立体，由环状结构变成笼状结构，这样才有未来。
这一理论，为单质炸药研究带来了革命性的指导方向。1979年，于永忠首先合成出了世界上第一种笼形结构的单质炸药797＃，验证了自己理论的可能性，并提出如果把797＃的4个氧原子转化为4个N-NO2，威力会更大。
看到于永忠的论文后，美国也认识到了笼状结构的巨大潜力，于是也开始研究这种新式炸药，1987年，美国科学家尼尔森制成了六硝基六氮杂异伍兹烷，由于他的实验室位于美国海军武器试验基地“中国湖”（China Lake），所以这种新炸药被给了一个“中国湖20号化合物”的名字，简称CL-20。
CL-20的最大爆速达到了惊人的9500米/秒，爆压、密度等几个材料参数都优于奥克托今，爆炸威力是TNT的3倍，说它是一种革命性的炸药也不为过。
不要低估炸药的革命对军事工业带来的意义，有了CL20，在相同装药量的情况下，新的导弹威力将比普通导弹威力更猛烈，对付加固机堡、地下掩体等目标时可以更轻松。
同时，导弹装药还可以用较少的CL20实现相同效果，减小导弹体积和重量，增加携弹量或者塞进隐身战机。更厉害的是，CL20还可以用于导弹推进剂，无论速度和射程都要迈上一大步。就连核武器，如果使用新式炸药作为引爆药，也可以带来全新的爆炸效果！
但CL20同样存在很大问题，虽然性能好，但太难制造了！从实验室产品到量产产品存在很大门槛。毕竟炸药毕竟是消耗品，可美国的CL20一直没有实现大批量低成本生产，现在也只能在实验室少量制备，造价一公斤一开始要数万美元，近些年才降到1000美元。可现在哪个导弹不装个几百公斤炸药？1000美元一公斤的炸药谁使得起？
但是，这个问题在中国，已经不存在了。
中国在90年代按照于永忠的技术路线合成成功CL-20之后，就开始了对合成工艺的不懈探索，经过研究，先是欧育湘创造了“一锅法”，实现1公斤级合成能力，然后赵信岐创新探索合成工艺路线，最终形成了工业化生产关键技术，在美国技术保密的情况下，探索出了中国式的工艺路线！
中国完成工业化量产之后的CL20有多便宜？一公斤只有几百元！只有美国生产成本的十几分之一！
更关键的是，中国的CL20已经实用化，开始应用于武器装备，而美国的CL20却一直处在实验室状态，原因也很简单，没有解决安全性问题。
要知道，虽然CL20威力大，但相对奥克托金HMX，安全性大幅度下降，摩擦感度只有HMX的40%，撞击感度也只有HMX的一半多点，这就意味着其安全性的大大降低，再加上其超高的威力，一旦发生事故，后果不堪设想。
对此，中国北理工的庞思平团队另辟蹊径，合成了三维MOFs材料，将敏感的氮原子和金属原子被包覆起来，大大降低了敏感度，提高了安全性，终于实现了CL20这种炸药之王的武器化使用之路。
2016年，实用化CL20的课题“新一代含能材料研究及其工程化”荣获2015年度国防科技进步特等奖。要知道，连电磁弹射技术也只不过是一等奖，而CL20竟然获了特等奖，可想而知CL20给中国军队带来的革命性变化了。
CL20虽好，但在火力不足恐惧症患者眼中，那还不够！中国已经开始了第五代炸药的研究--全氮炸药！
2017年南京理工大学化工学院胡炳成教授的研究团队成功合成了世界首个全氮阴离子盐，它的物质能量非常高，大部分时间能达到10万到100万焦耳/克的级别，相当于传统TNT炸药的10倍甚至百倍！