1.3 黑火藥的演變

1.3.1 古代黑火藥的產生

黑火藥是人類最早使用的含能材料，其含義是著火的藥：黑火藥的主要成分是硝石（硝酸鉀）、硫黃，是很重要的藥材。在《神農本草經》中，硝石被列為上品藥的第六位，能治二十多種病；硫黃被列為中品藥的第三位，也能治十幾種病。因此，黑火藥發明之初，被列為醫藥類，可治瘡、殺蟲、去瘟疫等，火藥的“藥”字就是這樣得來的。“著火”是這種藥劑的一種重要特性，火藥遇火即燃，還產生大量的氣體和一定的熱量。

在兩漢時代，勞動人民掌握了伐木燒炭和硝石、硫黃的采集技術。當時，在湖南、四川、河南、山西等地，發現了大量天然硫黃礦，在華北各地，人們掌握了提煉硝石的技術，并在實踐過程中，逐步掌握了硝石、硫黃的物理與化學性能，為黑火藥的發明奠定了物質基礎。

大約在公元7世紀初，中國古代方士在煉丹過程中，發明了原始的黑火藥。隋末唐初煉丹家孫思邈在其所著的《丹經內伏硫黃法》中記載了黑火藥的制作要領：用硝石、硫黃各二兩研細，再加三個碳化皂角子，這是我國最早配制黑火藥的方法。唐末《真元妙道要略》中記載：拿硫黃、硝石、雄黃（As2S3）和蜜混合后一起燃燒，會發生焰火，甚至會燒毀房屋。唐憲宗（公元806—820年）時期，清虛子采用硝石、硫黃各二兩，并用三錢五分的馬兜鈴代替三個皂角，制造出了黑火藥。隨著經驗的積累和認識的提高，人們逐漸掌握了黑火藥的配制方法，民間至今流傳有“一硝二黃三木炭”的簡易配法。

黑火藥最初應用于軍事大約在10世紀初，我國古代的軍事家常采用火箭作為火攻武器，《魏略輯本》記載：“諸葛亮進兵汞郝邵，起云梯，沖東以臨城，邵以火箭逆射其云梯，梯燃，梯上人皆燒死”。雛形火箭（見圖1-1（a））是在竹箭頭部涂覆油脂、松香、硫黃等，然后射出，以點燃敵人糧草、軍械和達到殺敵的目的，它的燃燒速度慢，火力小，殺傷效果有限。宋初馮繼升、岳義方等人用黑火藥制成火藥箭（見圖1-1（b）），其燃燒速度快，火力大，殺傷力強。王應麟編《玉海》記載：“開寶二年二月，馮繼升、岳義方上火箭法，試之，賜束帛”；《宋史》記載：“開寶三年，兵部令史馮繼升等進火箭法，命試驗，且賜衣物束帛”；趙萬年編《襄陽守城錄》記載：“開禧二年四月，公令先用火藥箭射燒番賊所搬竹木草牛”；《宋史》記載：“咸平三年八月，神衛水軍隊長唐福獻所制火箭、火球、火蒺藜”。

黑火藥武器的使用，也推動了黑火藥的研制，北宋曾公亮等人編寫了《武經總要》，詳細描述了多種火藥武器的制造方法以及毒藥煙球、蒺藜火球以及大炮的配方（見表1-3）。表中所述的大炮即為大火藥包；蒺藜火球也是火藥包，除裝填黑火藥外，還混有帶尖刺的鐵蒺藜，黑火藥爆炸后，鐵蒺藜飛散出去，殺傷力大增，特別是對付騎兵，威力更大；毒藥煙球是裝填混有砒霜、巴豆等毒物的黑火藥，爆炸后的煙氣可使敵人中毒，達到削弱其戰斗力的目的。

北宋末年，出現了裝填黑火藥的火炮（霹靂炮，見圖1-2（a）），爆炸威力大，聲如霹雷。后又發明了鐵火炮（震天雷，見圖1-2（b）），采用鐵制外殼，爆炸威力巨大，聲大如雷，對敵威懾作用大。據《金史》記載：“正大九年，大兵又為牛皮洞，直至城下，掘城為龕，間可容人，人有獻策者，以鐵繩懸震天雷，順城而下，至掘處火發，人與牛皮皆碎迸無跡”；《明實錄》記載：“洪武四年，廖永忠進兵瞿塘關，發大炮、火箭夾擊，大破之，其將鄭興中火箭死”。這些武器或是用拋射機將火藥包拋向敵方，或是用繩索懸吊，與現代身管武器的差異很大。公元1132年，出現了裝填黑火藥的火槍：將黑火藥裝入竹管內，作戰時，點燃的黑火藥噴射出去，以燒傷敵人。公元1259年，出現了用粗竹筒制作的突火槍（突火槍，見圖1-2（c）），筒內除裝黑火藥外，還裝有“子窠”，火藥點燃后，起初產生火焰，接著“子窠”發射出去，“子窠”就是原始的子彈，但這種竹制的火槍承受不了太大的壓力，火藥裝多了就可能破裂，壽命很短。元朝時，出現了用銅或鐵鑄的筒式火炮（火銃，見圖1-2（d）），是當時威力最大的火藥武器，被人們尊之為“銅將軍”。

我國古代用黑火藥制成最初的地雷、水雷和定時炸彈。據記載：“曾銑（明）在邊又制地雷，穴地丈許，柜藥于中，以石滿覆，更覆以砂，令與地平，伏火于下，可以經月，系其發機于地面，過者蹴機，則火墜藥發，石飛墜殺人，敵驚以為神”。這是有關地雷的最早記載。宋應星所著的《天工開物》上記載：“混江龍，漆固皮囊果炮，沉于水底，岸上帶索引機，囊中懸吊火石火鐮，索機一動，其中自發，敵舟行過，遇之則敗”。這顯然是一種最早的水雷。古書上還載有：“曾銑在邊，置慢炮法，炮圓如斗，中藏機巧，火線至一二時才發，外以五彩飾之，敵拾得者，駭為異物，聚觀傳玩者墻擁，須臾藥發，死傷甚眾”。這就是現代定時炸彈雛形。

1.3.2 古代黑火藥的西傳

唐朝時期，我國與阿拉伯、波斯等國家的貿易往來頻繁，硝隨同煉丹術由我國傳到中東，當時埃及人把硝叫作“中國雪”，波斯人把硝叫作“中國鹽”，這些國家只知道用硝煉丹、治病和制作玻璃等。公元1225—1248年，黑火藥由商人傳入阿拉伯國家，13世紀后期，歐洲人通過翻譯阿拉伯人的書籍，知道了黑火藥。隨后，火藥武器也經由阿拉伯國家傳入歐洲。公元1285年，元世祖出師日本，火炮大顯威力，日本人認識了火藥和火炮，直到1756年，葡萄牙人才把黑火藥帶入日本。

1.3.3 古代黑火藥的制造

最初黑火藥中三種成分配比大都是相等的，即硝酸鉀∶硫黃∶木炭=1∶1∶1。使用過程中發現，隨著火藥中三種成分配比的變化，火藥的燃燒性能也發生變化。例如，為了提高火藥的威力和燃速，配比改為6∶1∶1，后來又減小了配比中硫黃的含量，同時增加了木炭的含量，進一步提高了燃速。到了19世紀后期，世界各國生產黑火藥時，其成分配比基本上趨近一致，即硝酸鉀占75%，硫黃占10%，木炭占15%。

最早制造黑火藥的工藝是搗磨法（見圖1-3（a））：將硝、硫和木炭放在木臼或石臼里，用木棒搗碎，同時進行混合。這種方法不能保證組分的均勻混合，細度不夠，而且安全性差。后來發展了碾磨法（見圖1-3（b））：將三種原材料按一定比例放在碾盤上，靠石碾輥滾動時的碾壓作用，將三種原料壓碎并達到混合的目的。雖然碾磨法比搗磨法前進了一步，但也不安全，容易發生燃燒或爆炸事故。另外，當時尚未掌握原材料的制備和提純技術，制造黑火藥所用原材料全部來自自然界，由硫黃、硝石和木炭三種原料按粗略比例混合而成，因此，黑火藥存在燃燒速度不穩定、輸出能量低和安全性差等缺陷。

1.3.4 近代黑火藥技術

從16世紀末葉起，人們開始使用純度較高的硝酸鉀、硫黃制備黑火藥，其燃燒性能有了大幅度的提高，應用也得到長足發展，涵蓋了所有軍事、爆破和娛樂煙花領域。

由于天然木炭材料的輸出性能得不到有效控制，近代黑火藥仍舊存在燃燒不穩定、輸出威力低的缺陷，人們需要使用性能更好、威力更大的含能材料，于是以維也里為代表的學者擯棄了黑火藥，尋找新型含能材料，并于1884年合成了單基火藥，開辟了近代火藥發展的新紀元。但黑火藥具有其他火藥不具備的優越性，諸如火焰感度高、火焰傳播速度快、點火效率高、臨界點火壓力低等，因此在點火藥、675延期藥、擴焰藥、低級爆破產品裝藥以及娛樂煙花等領域中，黑火藥具有不可替代的作用，仍舊有大量學者致力于硝酸鉀、硫黃等材料的精制與替代物研制，其間涌現出品種繁多、用途各異的黑火藥產品和制造技術。由于缺乏必要的分析手段，對主要原材料木炭的研究甚少，直到20世紀，研究者尚未找出黑火藥輸出一致性差和防潮能力弱的妥善解決方案。

1.3.5 現代黑火藥技術

現代黑火藥分美國標準（見表1-4）和蘇聯標準兩大系列（見表1-5）。美標黑火藥的特點是從組分的微觀形貌入手，注重原材料物理化學性能；而蘇聯標準黑火藥則從產品燃燒過程入手，注重燃燒熱動力學參數的控制。二者在原材料方面的差異主要表現在美標黑火藥采用的是楓樹木炭并用石墨包覆，蘇標黑火藥用的是楊樹木炭。

隨著武器裝備需求和科學技術的發展，黑火藥的點火、傳火、引爆、延期、作功以及多種煙火效應功能進一步得到應用與開發，特別是在石油鉆探、煤礦開采、爆炸成型、爆炸焊接及工程爆破等領域，以黑火藥為主的民爆產業依然占有很大市場份額。但輸出穩定性差成為其廣泛使用的瓶頸，隨著現代科學儀器和先進分析手段的逐步成熟，現代黑火藥的研究范疇逐漸集中在環保性配方設計、木炭成分測定及其替代物的選擇、原材料及藥劑表面改性技術研究等方面。