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中物院含能分子创制团队为新型炸药冠上“中国名”
发布时间:2018-10-09   来源:中国工程物理研究院 
    2017年,一个公开代号为ICM-101的新型高能炸药问世,这是在炸药发明后的200多年里,屈指可数的由中国人自己命名的单质炸药之一。
  2018年,公开代号为ICM-102的新型钝感高能炸药又研制成功,被公认是材料基因组计划在含能材料领域的首个成功范例。
  两项成果先后在《自然-通讯》上发表,受到了国际含能材料界的高度关注,为世界火炸药舞台上增添了一抹别样的中国颜色,同时也极大鼓舞了正在炸药自主创新道路上砥砺前行的中国同行们,因为中国火炸药研发跨过自主创新这道坎儿,在世界范围内征得一席之地,实在太艰难。
  但,道虽迩,行者至。中物院化材所张庆华研究员及带领的含能分子创制团队,就是凭着一份不服气的锐气和国防科技工作的使命,在新型单质炸药研发的自主创新之路上不断发出中国声音。
  雄心与佛系
  炸药是武器装备形成毁伤作用的关键材料之一,而单质炸药可谓是这个关键材料的核心。
  炸药种类繁多,但从其诞生至今,能广泛应用于武器装备的,仅奥克托今等寥寥几种,单质炸药源头创新缺失,严重地制约了武器装备的性能提升和升级换代。目前能够在配方中得到应用的炸药,其核心技术的创新源头无一不是掌握在美国等军事大国手中。
  炸药分子设计难、合成危险性大,工程化应用周期长,很难发高水平论文,业内人士常开玩笑说,“同样跟化工沾边,做炸药的可不如做医药的,一个搞不好要“送命”,而另一个既能治病救命又能赚大钱”,看似调侃的一句话,说出了国内炸药领域研究队伍萎缩背后的现实与辛酸。
  但是从小酷爱国防和化学的张庆华,就偏偏钟爱这个充满了刺激和不安全因素的小众学科,立志要做科研,而且要做点名堂出来。
  2010年,他从中科院兰州化学物理研究所攻下博士学位后,先后赴法、美等国留学深造。在美留学期间,他师从国际炸药界权威Shreeve教授,开展新一代高能炸药合成研究,期间表现出敏锐的洞察力和卓越的科研能力,受到教授和同事们的高度赞赏。然而,在美国学习先进火炸药技术的同时,他也切身感受到我国在炸药研究领域基础研究底子太薄弱,长期主要以跟踪仿制欧美为主,国际火炸药自主研发舞台上的中国声音实在太过微弱。
  怀揣科技报效祖国的赤子情怀,2014年他毅然决定回国。作为“高精尖缺”型海归人才,国内许多高校、研究所都向他抛来橄榄枝。在为数众多的选择中,一个略显生僻的名字——中国工程物理研究院化工材料研究所(中物院化材所)映入眼帘。
  中物院化材所,是一个常隐身于公众认知的神秘地方,一贯低调,但它正是我国第一颗原子弹和氢弹用高能炸药的研制单位,事业可谓“惊天动地”。而这样的一个国防单位离国家重大需求最近,不正是一个可以同时圆科研梦和报国梦的好地方吗,他毫不犹豫地做出了人生选择。
  彼时,张文全、王毅、刘天林等7个年轻人,分别从中科大、吉林大学、天津大学等国内知名高校相继博士毕业,也先后汇集到位于四川绵阳的中物院化材所来。
  绵阳地处我国西南,地理位置偏安一隅,经济欠发达,化材所的待遇也算不上优厚,但这8个有着科技强军“雄心”的年轻人,不约而同地对这些身外浮华,抱着超乎年龄的“佛系”态度。
  2014年5月,这群平均年龄不到31岁的同心众志者,组成了中物院化材所第一个创新攻关团队—含能分子创制团队,一个有冲劲,锐气十足的年轻团队诞生了。
  相同价值观和科研情怀,凝结成了团队的共同追求——不跟踪仿制而是“自主创新”,立足国防重大需求为科技强军而科研,立志在探索新型炸药自主研发的道路上,发出中国声音,为更多更好的新一代高能炸药冠上中国名。
  追梦路上的痴与狂
  世间大奥往往删繁就简地蕴含在简单的东西里,单质炸药分子的研发,也常常是CHNO(碳、氢、氮、氧)四种最为常见元素演绎的能量传奇,看似简单至极。但经过元素组合—分子构型—晶体堆积,三层变幻和组合后,创新又变得异常复杂。想要在简单中追求能量极致,又想于繁琐中寻获极简创新,难!
  火炸药行业偏冷门,而单质炸药研发更是这个领域里最难啃的硬骨头之一。
  可是这群勇敢的小伙子们初生牛犊不怕虎,因为实现我国单质炸药的原始创新,协助我国常规武器在全球军事装备竞赛中迎头赶上并立于不败之地,一直是他们追求的科技强军梦想,让每个人都如痴如狂,想让他们轻易认输,绝不可能。
  然而,成功之前的山穷水复,确实曾无数次地伤挫了一颗颗年轻的心。
  在ICM-101研制的最后关头,能否获取无水单晶样品,成为了判断炸药能量密度的关键一步,一个多月不分昼夜的鏖战后,却只能获得各种含水晶体。
  怎么办?放弃吗?当然不!
  团队所有成员们,放下手头上的事,集中起来专攻无水晶体的技术难关,反复的尝试、失败、讨论、再尝试,张文全等几个小伙子几乎已到了废寝忘食的地步,为了确保成员们的安全和健康,“团长”张庆华甚至不得不通过“断水、断电”的威胁手段逼迫大家回去休息。
  科学之美常常眷顾勇敢的奋进者,勇敢执着的人绝处逢生了——他们幸运地在硝酸溶液中得到了梦寐以求的无水单晶。2016年10月1日,该单质炸药分子单晶定型终于成功,“这简直就是梦里寻他千百度,蓦然回首,却在灯火阑珊处”,回忆起这个艰难中的惊喜,张庆华至今仍然难掩激动之情。
  经过一系列的验证和测试评估后,公开代号为ICM-101在2017年夏天正式问世,它的实测密度达到2.0克每立方厘米,基本追平了美国研制的、国际公认可实际应用的、能量最高威力最强大的六硝基六氮杂异伍兹烷CL-20,并展现出了优异的综合性能:能量密度高,合成简单,成本低等,该重要成果在《自然-通讯》上发表,这是全球炸药领域科学家在该期刊上发表的首篇研究论文,受到了国内外同行们的高度评价,称是“探索高能炸药CL-20替代物的里程碑式进展”。
  为这个炸药界的新明星分子命名为ICM-101,也有着特殊的含义,既浓缩了团队所在中物院化材所的英文名字(ICM),又纪念了这个新配方定型实验成功的日子——2016年10月1日,冥冥中,这份对国庆的献礼也让新型单质炸药在时隔多年后重新冠上了“中国名”。
  格物以致知,实干不空谈
  和平年代下,科技大国逐鹿天下,拼的是高科技,拼的是硬实力!因为事关国防,含能材料领域颠覆性创新的竞技硝烟更甚。
  钝感和高能分别代表炸药安全性和毁伤能力,钝感高能炸药(IHE)的应用能够兼顾武器系统的高安全性和高毁伤效能,是世界各军事强国孜孜追求的目标。然而,钝感和高能是一对负相关的性能指标,且传统以实验试错为主的制备途径,存在项目风险大、研发成本高、效率低等问题,这给寻获钝感和高能的最佳平衡点带来了极大困扰。
  2018年初,含能分子创制团队借鉴材料基因组工程的科学思想,通过对大量已有含能材料的结构与性能数据进行数据挖掘和系统分析,从元素组成、分子结构和晶体排列三个层次识别并提取钝感高能炸药的“基因”特征;随后建立以14种六元芳香母环和3种取代基为基础的结构片段库,运用自编Java脚本,并以识别的钝感高能炸药“基因”特征为边界条件,实现了计算机辅助的钝感高能炸药分子高通量设计与快速筛选;通过合理实验方法设计,最终精准合成出一种新型钝感高能单质炸药,公开代号为ICM-102。
  经综合评估,ICM-102具备对撞击、摩擦、静电等外界刺激均钝感,高热稳定、低成本、易规模合成等优点,是极具潜力的新一代钝感高能炸药,
  团队巧妙地格物致知,实现了高通量设计与快速筛选、精准合成,在国际上首次将“含能材料基因科学”的研发新模式变为现实,大大加快了新炸药分子的研发效率。
  “含能材料基因组计划看似是一个遥不可及的梦想,但是我们就是敢做这个梦,行动就是这梦想最好的注脚”,ICM- 102的主要研制者,团队成员王毅博士这样说道。
  我们还有一个更大的梦
  路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。含能分子创制团队深知,从单质炸药的原始性自主创新,到真正把他们用到武器装备中去,还有很漫长而艰难的一段路要走。
  成果在累积,梦想也在长大,他们仍在逆流而上。从ICM-101到ICM-102,再到目前已取得重大进展的ICM-103,团队始终围绕能够让国家“用得上”的终极目标来布局科研创新计划。
  走过了从常规到战略的国防科技自主创新成功之路,绿色起爆传爆系列新炸药ICM-103的研制则是团队用CHNO元素演绎的军民融合的新传奇。
  于军而言,装填起爆药的火工品是武器装备的核心部件之一。对民来讲,传统民用起爆药主要为重金属盐,其毒性高、污染严重,而当前我国唯一大规模使用的有机起爆药DNNP也陷入了环保困境。
  团队敏感地捕捉到,用绿色有机起爆药取代重金属起爆药是未来发展趋势。而且,扎实的研发基础和超强的团队战斗力,让他们在这方面信心十足。
  事实证明,梦想的天花板挡不住敢想的实干派。目前ICM-103研制已取得了突破性进展,它绿色环保,合成简单、低成本、易规模化生产,且起爆能力、安全性、环境适应性等全面超越DDNP, 有望在军民融合领域取代DDNP产生巨大的军事和经济效益。
  面壁十年图破壁,难酬蹈海亦英雄。含能分子创制团队承袭老一代两弹一星功勋者的衣钵,怀揣爱国热情,瞄准国防核心关键技术,矢志创新,将核心技术掌握在中国人自己手中,不断为自主研发新炸药冠上“中国名”,为军民融合国家战略“添柴加火”,在“实现中华民族伟大复兴”的征程里,在火炸药研究的世界舞台上发出最有力的中国声音!