肼凝胶推进剂物性的模拟计算研究

发布时间：2017-10-12 08:15

  本文关键词：肼凝胶推进剂物性的模拟计算研究

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【摘要】：液态肼推进剂具有低粘度、高燃烧能等优点,添加凝胶剂后可以降低肼推进剂的冰点,改善其储存和运输性能。液态肼形成凝胶体系后,有助于固体助燃剂晶体悬浮于其中,提高推进剂整体的能量值和容量比冲。本文选用综合性能优越的羟乙基纤维(HEC)和具有良好的环境刺激响应性的羧甲基纤维硝酸酯(CMCN)作为凝胶剂,三氢化铝作为助燃剂,研究肼-凝胶剂二元体系物性的变化以及肼-凝胶剂-助燃剂三元体系物性的变化。本课题主要利用Material Studio 6.0模拟软件,采用分子动力学(MD)和介观动力学(MM)计算方法,计算二元体系和三元体系的物性变化,并从微观分子间作用力角度探索宏观体系物性变化的本质。首先搭建了纯肼体系以及质量分数分别为10%、20%、30%的肼-凝胶剂二元混合体系,计算了二元体系的密度、玻璃化温度(Tg)和结构力学性能,并与纯肼的物性做对比。通过分析凝胶剂与肼分子间的径向分布函数、自由体积分数,探索凝胶剂质量分数对肼物性的影响。结果表明纯肼体系中存在强的氢键作用,添加了凝胶剂后,凝胶剂分子含有羟基,与肼分子之间也会产生氢键作用,有助于二元体系网络结构的稳定。随着凝胶剂含量的增加,肼与凝胶剂之间的相互作用增强,体系中分子链排布更加紧密,整个体系的自由体积分数随之减小,导致体系密度增大;凝胶剂与肼互溶形成凝胶态使其结构强度增大,体系抵抗外界干扰能力增强,体系显出塑性;肼凝胶二元体系分子间的相互作用力减弱了体系分子链的运动,导致Tg值的增大,且作用力随着凝胶剂含量的增加而增强,所以二元体系的Tg也随着凝胶剂含量的增加而增大。其次,本课题继续研究了添加助燃剂后肼凝胶三元体系物性的变化。保持凝胶剂含量不变,在肼凝胶二元体系中添加助燃剂AlH3,计算三元体系的结构弹性系数和AlH3的密度场分布。三元体系的弹性系数值相差很大,表明体系显示各向异性。从介观模拟的结果可以看出AlH3晶体主要分布在凝胶剂周围。三元体系组份间的径向分布函数图中AlH3与凝胶剂之间的g(r)值要比肼与凝胶分子间g(r)值的大,破坏了肼与凝胶形成的网络结构,这也是体系显示各向异性的原因。从助燃剂和肼凝胶体系之间的结合能的具体数据得到AlH3与肼凝胶体系的单位质量结合能数值很大,AlH3与凝胶剂之间强的结合能导致助燃剂晶体主要分布在凝胶剂周围。而且当凝胶剂质量分数为20%时,两个体系之间的单位质量结合能最大,AlH3晶体在凝胶剂周围的分布最集中。通过对二元和三元凝胶体系物性的计算和分析,两种凝胶剂下得到的结果大体一致,说明HEC和CMCN都是合适的凝胶剂选择。本文研究结果表明分子动力学模拟方法可以为肼凝胶配方的研究提供预测和指导。
【关键词】：肼凝胶剂 助燃剂 分子动力学模拟 物性计算
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V511;O648.17
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 肼推进剂的改进与助燃剂的应用11-13
• 1.2 凝胶剂的发展与应用13-14
• 1.3 分子模拟技术的发展与应用14-17
• 1.4 本课题的研究内容及研究意义17-19
• 第2章 分子模拟理论基础和模拟细节19-34
• 2.1 分子模拟方法19-22
• 2.1.1 分子动力学(MD)方法19-22
• 2.1.2 介观动力学(MM)方法22
• 2.2 分子模拟相关参数22-24
• 2.3 模拟计算性能理论24-28
• 2.3.1 玻璃化温度(Tg)24-25
• 2.3.2 弹性力学25-26
• 2.3.3 均方位移函数(MSD)26
• 2.3.4 自由体积分数(FFV)26-27
• 2.3.5 密度(D)27
• 2.3.6 结合能27
• 2.3.7 径向分布函数(g(r))27-28
• 2.4 模型构建和模拟细节28-34
• 2.4.1 模拟软件及其模块介绍28
• 2.4.2 模拟体系的构建28-32
• 2.4.3 模拟操作细节32-34
• 第3章 肼凝胶二元体系物性计算结果及分析34-53
• 3.1 纯肼的物性计算34-36
• 3.2 凝胶剂对肼体系结构和加工性能的影响36-43
• 3.2.1 密度36
• 3.2.2 弹性力学36-39
• 3.2.3 玻璃化温度39-43
• 3.3 凝胶剂与肼分子间的相互作用力分析43-51
• 3.3.1 径向分布函数43-49
• 3.3.2 自由体积49-51
• 3.4 本章小结51-53
• 第4章 三元体系的物性计算结果及分析53-66
• 4.1 三元体系结构的相关计算53-56
• 4.1.1 密度53-54
• 4.1.2 弹性力学54-56
• 4.2 助燃剂与凝胶体系分子间的相互作用56-64
• 4.2.1 结合能56-58
• 4.2.2 径向分布函数58-59
• 4.2.3 自由体积59-64
• 4.3 本章小结64-66
• 结论与展望66-68
• 参考文献68-75
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单75-76
• 致谢76

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本文编号：1017627