1.3 黑火药的演变

1.3.1 古代黑火药的产生

黑火药是人类最早使用的含能材料，其含义是着火的药：黑火药的主要成分是硝石（硝酸钾）、硫黄，是很重要的药材。在《神农本草经》中，硝石被列为上品药的第六位，能治二十多种病；硫黄被列为中品药的第三位，也能治十几种病。因此，黑火药发明之初，被列为医药类，可治疮、杀虫、去瘟疫等，火药的“药”字就是这样得来的。“着火”是这种药剂的一种重要特性，火药遇火即燃，还产生大量的气体和一定的热量。

在两汉时代，劳动人民掌握了伐木烧炭和硝石、硫黄的采集技术。当时，在湖南、四川、河南、山西等地，发现了大量天然硫黄矿，在华北各地，人们掌握了提炼硝石的技术，并在实践过程中，逐步掌握了硝石、硫黄的物理与化学性能，为黑火药的发明奠定了物质基础。

大约在公元7世纪初，中国古代方士在炼丹过程中，发明了原始的黑火药。隋末唐初炼丹家孙思邈在其所著的《丹经内伏硫黄法》中记载了黑火药的制作要领：用硝石、硫黄各二两研细，再加三个碳化皂角子，这是我国最早配制黑火药的方法。唐末《真元妙道要略》中记载：拿硫黄、硝石、雄黄（As2S3）和蜜混合后一起燃烧，会发生焰火，甚至会烧毁房屋。唐宪宗（公元806—820年）时期，清虚子采用硝石、硫黄各二两，并用三钱五分的马兜铃代替三个皂角，制造出了黑火药。随着经验的积累和认识的提高，人们逐渐掌握了黑火药的配制方法，民间至今流传有“一硝二黄三木炭”的简易配法。

黑火药最初应用于军事大约在10世纪初，我国古代的军事家常采用火箭作为火攻武器，《魏略辑本》记载：“诸葛亮进兵汞郝邵，起云梯，冲东以临城，邵以火箭逆射其云梯，梯燃，梯上人皆烧死”。雏形火箭（见图1-1（a））是在竹箭头部涂覆油脂、松香、硫黄等，然后射出，以点燃敌人粮草、军械和达到杀敌的目的，它的燃烧速度慢，火力小，杀伤效果有限。宋初冯继升、岳义方等人用黑火药制成火药箭（见图1-1（b）），其燃烧速度快，火力大，杀伤力强。王应麟编《玉海》记载：“开宝二年二月，冯继升、岳义方上火箭法，试之，赐束帛”；《宋史》记载：“开宝三年，兵部令史冯继升等进火箭法，命试验，且赐衣物束帛”；赵万年编《襄阳守城录》记载：“开禧二年四月，公令先用火药箭射烧番贼所搬竹木草牛”；《宋史》记载：“咸平三年八月，神卫水军队长唐福献所制火箭、火球、火蒺藜”。

黑火药武器的使用，也推动了黑火药的研制，北宋曾公亮等人编写了《武经总要》，详细描述了多种火药武器的制造方法以及毒药烟球、蒺藜火球以及大炮的配方（见表1-3）。表中所述的大炮即为大火药包；蒺藜火球也是火药包，除装填黑火药外，还混有带尖刺的铁蒺藜，黑火药爆炸后，铁蒺藜飞散出去，杀伤力大增，特别是对付骑兵，威力更大；毒药烟球是装填混有砒霜、巴豆等毒物的黑火药，爆炸后的烟气可使敌人中毒，达到削弱其战斗力的目的。

北宋末年，出现了装填黑火药的火炮（霹雳炮，见图1-2（a）），爆炸威力大，声如霹雷。后又发明了铁火炮（震天雷，见图1-2（b）），采用铁制外壳，爆炸威力巨大，声大如雷，对敌威慑作用大。据《金史》记载：“正大九年，大兵又为牛皮洞，直至城下，掘城为龛，间可容人，人有献策者，以铁绳悬震天雷，顺城而下，至掘处火发，人与牛皮皆碎迸无迹”；《明实录》记载：“洪武四年，廖永忠进兵瞿塘关，发大炮、火箭夹击，大破之，其将郑兴中火箭死”。这些武器或是用抛射机将火药包抛向敌方，或是用绳索悬吊，与现代身管武器的差异很大。公元1132年，出现了装填黑火药的火枪：将黑火药装入竹管内，作战时，点燃的黑火药喷射出去，以烧伤敌人。公元1259年，出现了用粗竹筒制作的突火枪（突火枪，见图1-2（c）），筒内除装黑火药外，还装有“子窠”，火药点燃后，起初产生火焰，接着“子窠”发射出去，“子窠”就是原始的子弹，但这种竹制的火枪承受不了太大的压力，火药装多了就可能破裂，寿命很短。元朝时，出现了用铜或铁铸的筒式火炮（火铳，见图1-2（d）），是当时威力最大的火药武器，被人们尊之为“铜将军”。

我国古代用黑火药制成最初的地雷、水雷和定时炸弹。据记载：“曾铣（明）在边又制地雷，穴地丈许，柜药于中，以石满覆，更覆以砂，令与地平，伏火于下，可以经月，系其发机于地面，过者蹴机，则火坠药发，石飞坠杀人，敌惊以为神”。这是有关地雷的最早记载。宋应星所著的《天工开物》上记载：“混江龙，漆固皮囊果炮，沉于水底，岸上带索引机，囊中悬吊火石火镰，索机一动，其中自发，敌舟行过，遇之则败”。这显然是一种最早的水雷。古书上还载有：“曾铣在边，置慢炮法，炮圆如斗，中藏机巧，火线至一二时才发，外以五彩饰之，敌拾得者，骇为异物，聚观传玩者墙拥，须臾药发，死伤甚众”。这就是现代定时炸弹雏形。

1.3.2 古代黑火药的西传

唐朝时期，我国与阿拉伯、波斯等国家的贸易往来频繁，硝随同炼丹术由我国传到中东，当时埃及人把硝叫作“中国雪”，波斯人把硝叫作“中国盐”，这些国家只知道用硝炼丹、治病和制作玻璃等。公元1225—1248年，黑火药由商人传入阿拉伯国家，13世纪后期，欧洲人通过翻译阿拉伯人的书籍，知道了黑火药。随后，火药武器也经由阿拉伯国家传入欧洲。公元1285年，元世祖出师日本，火炮大显威力，日本人认识了火药和火炮，直到1756年，葡萄牙人才把黑火药带入日本。

1.3.3 古代黑火药的制造

最初黑火药中三种成分配比大都是相等的，即硝酸钾∶硫黄∶木炭=1∶1∶1。使用过程中发现，随着火药中三种成分配比的变化，火药的燃烧性能也发生变化。例如，为了提高火药的威力和燃速，配比改为6∶1∶1，后来又减小了配比中硫黄的含量，同时增加了木炭的含量，进一步提高了燃速。到了19世纪后期，世界各国生产黑火药时，其成分配比基本上趋近一致，即硝酸钾占75%，硫黄占10%，木炭占15%。

最早制造黑火药的工艺是捣磨法（见图1-3（a））：将硝、硫和木炭放在木臼或石臼里，用木棒捣碎，同时进行混合。这种方法不能保证组分的均匀混合，细度不够，而且安全性差。后来发展了碾磨法（见图1-3（b））：将三种原材料按一定比例放在碾盘上，靠石碾辊滚动时的碾压作用，将三种原料压碎并达到混合的目的。虽然碾磨法比捣磨法前进了一步，但也不安全，容易发生燃烧或爆炸事故。另外，当时尚未掌握原材料的制备和提纯技术，制造黑火药所用原材料全部来自自然界，由硫黄、硝石和木炭三种原料按粗略比例混合而成，因此，黑火药存在燃烧速度不稳定、输出能量低和安全性差等缺陷。

1.3.4 近代黑火药技术

从16世纪末叶起，人们开始使用纯度较高的硝酸钾、硫黄制备黑火药，其燃烧性能有了大幅度的提高，应用也得到长足发展，涵盖了所有军事、爆破和娱乐烟花领域。

由于天然木炭材料的输出性能得不到有效控制，近代黑火药仍旧存在燃烧不稳定、输出威力低的缺陷，人们需要使用性能更好、威力更大的含能材料，于是以维也里为代表的学者摈弃了黑火药，寻找新型含能材料，并于1884年合成了单基火药，开辟了近代火药发展的新纪元。但黑火药具有其他火药不具备的优越性，诸如火焰感度高、火焰传播速度快、点火效率高、临界点火压力低等，因此在点火药、675延期药、扩焰药、低级爆破产品装药以及娱乐烟花等领域中，黑火药具有不可替代的作用，仍旧有大量学者致力于硝酸钾、硫黄等材料的精制与替代物研制，其间涌现出品种繁多、用途各异的黑火药产品和制造技术。由于缺乏必要的分析手段，对主要原材料木炭的研究甚少，直到20世纪，研究者尚未找出黑火药输出一致性差和防潮能力弱的妥善解决方案。

1.3.5 现代黑火药技术

现代黑火药分美国标准（见表1-4）和苏联标准两大系列（见表1-5）。美标黑火药的特点是从组分的微观形貌入手，注重原材料物理化学性能；而苏联标准黑火药则从产品燃烧过程入手，注重燃烧热动力学参数的控制。二者在原材料方面的差异主要表现在美标黑火药采用的是枫树木炭并用石墨包覆，苏标黑火药用的是杨树木炭。

随着武器装备需求和科学技术的发展，黑火药的点火、传火、引爆、延期、作功以及多种烟火效应功能进一步得到应用与开发，特别是在石油钻探、煤矿开采、爆炸成型、爆炸焊接及工程爆破等领域，以黑火药为主的民爆产业依然占有很大市场份额。但输出稳定性差成为其广泛使用的瓶颈，随着现代科学仪器和先进分析手段的逐步成熟，现代黑火药的研究范畴逐渐集中在环保性配方设计、木炭成分测定及其替代物的选择、原材料及药剂表面改性技术研究等方面。