高能體系結(jié)構(gòu)和性能的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、以典型硝胺化合物RDX、HMX和固體推進(jìn)劑中常用氧化劑AP為主體，通過混入高聚物等添加劑構(gòu)成高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)和固體推進(jìn)劑模型，用分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法，對(duì)這些高能混合體系，進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算和模擬，求得它們的廣義結(jié)構(gòu)和性能，為它們的配方設(shè)計(jì)提供了豐富信息和規(guī)律。全文大體包括兩部分內(nèi)容： 第一部分研究RDX晶體及其為基的含氟高聚物PBX的結(jié)構(gòu)和性能。 在COMPASS力場下對(duì)RDX晶體作不同溫度(195～445K)的N

2、PT-MD模擬。求得RDX晶體結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)和力學(xué)性能隨溫度而遞變的規(guī)律：RDX的晶胞參數(shù)和體積均隨溫度升高而遞增；線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)均隨溫度升高略有上升；彈性系數(shù)和(拉伸、體積、剪切)模量均隨溫度升高而下降，表明體系的剛性隨溫度升高而下降。 將四種典型氟聚物粘結(jié)劑：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、氟橡膠(F2311)和氟樹脂(F2314)，分別置于RDX的(001)、(010)和(100)晶面上，依

3、次對(duì)所得12種PBX模型進(jìn)行COMPASS力場下的NVT-MD模擬。首次報(bào)導(dǎo)了常溫下RDX基PBX的力學(xué)性能、結(jié)合能和爆轟性能及其隨氟聚物粘結(jié)劑種類以及不同RDX晶面而遞變的規(guī)律：少量氟聚物粘結(jié)劑的加入明顯改善RDX的力學(xué)性能且對(duì)RDX不同晶面力學(xué)性能的改善效果并不一樣，其中PVDF置于不同晶面均能較好改善體系的各向同性力學(xué)性能。氟聚物與RDX各晶面之間的相互作用均為PVDF>F2311>F2314>PCTFE。少量氟聚物雖使RDX的爆

4、炸性能有所下降，但仍較常用炸藥TNT高得多，故所得PBXs仍不失為具較高開發(fā)和應(yīng)用價(jià)值的高能復(fù)合材料。 結(jié)合實(shí)驗(yàn)工作的需要優(yōu)選出RDX(001)、(010)和(100)/F2311(氟橡膠)三種PBX模型，完成了它們?cè)诓煌瑴囟?245～455K)下的NVT-MD模擬，探討了溫度(T)對(duì)PBX力學(xué)性能和結(jié)合能的影響。結(jié)果表明，溫度對(duì)力學(xué)性能影響較大，而對(duì)結(jié)合能(Ebind)影響較小。通過對(duì)相關(guān)函數(shù)g(r)分析，揭示了F2311與R

5、DX之間存在的氫鍵和vdW作用，從本質(zhì)上解釋了結(jié)合能隨溫度的變化態(tài)勢(shì)。 第二部分用自行建立的修正PCFF(MPCFF)力場對(duì)固體推進(jìn)劑配方的多種分解和綜合模型體系，進(jìn)行了系統(tǒng)的NVT-MD模擬研究，找到了高能混合體系的感度理論判據(jù)。 高氯酸銨(AP)是固體推進(jìn)劑的重要組分，至今沒有適用的力場參數(shù)。我們借助量子化學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合出AP的力場參數(shù)，并將其編入PCFF力場之中。該新建立的含AP力場參數(shù)的修正后PCFF(M

6、PCFF)力場，經(jīng)驗(yàn)證表明，完全適用于高能固體推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)一性能的模擬研究。以AP/HMX二組分體系為例，在MPCFF力場下，通過不同溫度的NPT-MD模擬，求得其熱膨脹系數(shù)和結(jié)合能及其隨溫度而遞變的規(guī)律，并采用對(duì)相關(guān)函數(shù)g(r)分析，揭示了AP和HMX之間相互作用的本質(zhì)。對(duì)不同配比和不同溫度下的AP/HMX二元混合體系，進(jìn)行MPCFF力場下的NVT-MD模擬，求得結(jié)合能和HMX的熱解和起爆引發(fā)鍵(N-NO2鍵)的平均鍵長(LN-NO2)

7、和最大鍵長(Lmax)；發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得Lmax與實(shí)驗(yàn)感度之間存在平行遞變關(guān)系。建議以高能復(fù)合材料中易爆燃組分引發(fā)鍵的最大鍵長作為其熱和撞擊等感度的理論判據(jù)，借以闡明、比較或預(yù)示它們的相對(duì)安全性。 對(duì)固體推進(jìn)劑配方的多種分解和綜合模型體系，亦即不同配比的二組分體系A(chǔ)P/NG(3:1、2:1、1:1和1:2)、AP/BTTN(3:1、2:1、1:1和1:2)、HMX/BTTN(1:1)、HMX/NG(1:1)、PEG/AP(1:1和1

8、:4)、PEG/HMX(1:1和1:6)、PEG/NG(1:2和1:4)和PEG/BTTN(1:2和1:4)，三組分體系(NG/BTTN)/AP(3:1、2:1、1:1和1:2)以及五組分體系(PEG/NG/BTTN)/AP/HMX(2.5:4.1:1.4、2.5:3.9:1.9、2.5:3.5:2.3和2.5:2.9:2.9)進(jìn)行MPCFF力場下的NVT-MD模擬研究，提供結(jié)合能和易爆燃組分引發(fā)鍵的最大鍵長隨組成和配比而變化的豐富信息