含能材料研究应用案例

时间:2014-04-02

混合炸药的爆轰性能和感度

Reference: 1. J. Hazard. Mater. 164, 329 (2009)
                   2. J. Phys. Chem. C. 114, 5068 (2010)
                   3. Comput. Theor. Chem. 999, 21 (2012)
                   4. J. Mol. Model. 19, 803(2013)
所用模块:COMPASS,Forcite plus,CASTEP
     具有优异爆轰性能和较低感度是炸药最重要的两个性质。环四亚甲基四硝胺(HMX)也称奥克托金,具有八元环的硝胺结构,是现今军事上使用的综合性能最好的炸药。实际使用的炸药均为多组分混合物,即复合材料,其结构-性能关系是当前研究的热点。
     南京理工大学肖鹤鸣课题组研究人员采用基于COMPASS力场的经典力学模拟研究了四种不同粘结剂与双环-HMX组成的聚合物粘结炸药的爆轰性能和材料力学性质1。
 
表1  双环-HMX以及四种粘结剂高聚物粘结炸药力学性质
表2 双环-HMX以及四种粘结剂高聚物粘结炸药爆轰性能
 
      中国工程物理研究院研究人员采用基于COMPASS力场的经典力学模拟考察了不同含量烯烃改性的HMX体系感度随外力作用变化机制2。这些研究对设计高能低感的新型含能材料具有十分重要的意义。
   
                                         
图1  HMX/烯烃混和物单轴压缩模型                                      图2  HMX/烯烃混和物剪切模型
 
 
 
杂质对转晶的影响
Reference: 1. Chinese Journal of Explosives & Propellants 32, 1 (2009)
                   2. Propellants Explos. Pyrotech. 37, 77 (2012)
所用模块:Dmol3、COMPASS、 Forcite plus、Morphology
      六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)俗称CL-20,是具有笼型多环硝胺结构的一种高能量密度化合物,具有广阔的应用前景。其合成一般采用四步法,通过硝解和溶剂重结晶工艺将硝解得到的混合α-HNIW和γ-HNIW转晶为结晶密度最大,更为实用ε-HNIW。关于HNIW转晶的机理研究缺乏,合成中的主要杂质五硝基-乙酰基六氮杂异伍兹烷(PNMAIW)对HNIW转晶的影响也未见报道。北京理工大学和总装驻甘肃银光化学工业集团有限公司军代室研究人员采用包括量子力学方法,经典模拟方法和晶体形貌预测在内的多种模拟方法,系统研究了不同转晶体系中PNMAIW 对HNIW转晶的影响, 旨在揭示HNIW转晶的机理, 为工艺提供理论依据1。
 
                                       
图1 PNMAIW的四种稳定构型                                                            表1  PNMAIW 对HNIW 转晶的影响
 
 
 
爆轰反应机理探索
Reference: 1. UCRL-TR-221762(2006)
                   2. J. Phys. Chem. B 115, 278(2011)
                   3. J. App. Phys. 111, 124904 (2012)
                   4. Acta. Phys. Sin 61, 246501(2012)
所用模块:CASTEP、Dmol3、DFTB+、GULP
      含能材料起爆过程化学反应机理的研究对评价材料在推进和毁伤领域的作用效果具有重要意义。现阶段试验手段很难直接观测快速能量释放步骤和独立化学反应,仅能提供活化能垒、最终分解产物等间接信息。基于量子力学和分子力学的反应性分子模拟方法可以针对热解、燃烧和爆轰反应相关现象提供原子、分子层面上的信息,兼具安全和节约成本的优势,为实验提供了有益补充。
      美国劳伦斯利物莫国家实验室使用量子力学DFTB+方法研究了极端温度条件下季戊四醇四硝酸酯(PETN)的起爆反应机理,建立了化学动力学模型并计算了反应速率常数1。
 
                 
图1 PETN模拟结构示意图                                                        图2  PETN起爆最主要中间体
 
      北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室的研究人员使用经典力学GULP中的ReaxFF反应力场研究了缺陷对HMX热解的影响2, HMX晶体在单轴压缩和剪切载荷作用下的物理和化学变化3以及HMX在一定温度范围内的热膨胀行为4。
   
                                         
图1 不同缺陷浓度HMX结构示意图                                                     图2  不同缺陷浓度HMX产物分布