某混合炸药的加速老化和失效机理研究

发布时间：2020-07-18 17:25

【摘要】：混合炸药因综合性能优良而被广泛用于国防武器系统中,而炸药在长期贮存过程中受环境因素影响出现性能下降甚至失效等老化问题。因此,研究这类炸药的老化机理对武器系统安全贮存寿命的研究具有重要的参考价值。本文围绕混合炸药加速老化后的安全贮存寿命,结合分子动力学(MD)模拟和试验分析两种方法研究炸药在老化过程中的性能变化规律和失效机理,主要研究工作如下:首先,本文采用NVT系综和COMPASS力场对RDX/BR双组分体系在不同温度下(245 K,295 K,345 K,395 K,445 K)进行MD模拟,分析温度对其力学性能、N-NO2引发键、内聚能密度(CED)和结合能的影响。研究发现,随着温度的升高,该体系的延展性和塑性较好,韧性减弱,感度增大,热稳定性也逐渐减小。其次,以某一混合炸药为研究对象,开展不同贮存温度和时间条件下的加速老化试验,研究了质量、体积、力学性能和机械感度等性能的变化规律。结果表明,随时间的增加和温度的升高,药柱质量逐渐减小,体积先膨胀后逐渐收缩,但两者变化率均小于1%;老化后抗压强度均有不同程度的提高,而药柱的韧性降低;撞击感度逐渐降低,而摩擦感度总体也趋于降低,80 ℃时出现小幅度地回升,与MD模拟的感度有出入,分析其原因主要是MD模拟中未考虑蜡钝感剂对体系感度的影响。在掌握了炸药性能变化规律的基础上,采用热重(TG)、傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等现代分析技术对炸药失效机理进行了研究。结果表明,其失效机理主要是由于BR橡胶的性能老化和蜡钝感剂的热损失造成的。在加速老化过程中蜡的热损失和BR中水分和低分子量组分的挥发造成药柱质量减少,最终因失重率超过MIL-STD-1751规定的1%水分而失效;BR氧化交联导致BR变硬发脆,由此造成炸药刚性增加、粘弹性变差,使药柱因破碎而失效;在70 ℃以下贮存时BR的交联和蜡的软化起到钝感作用,但80 ℃老化后期炸药中蜡的热损失量增加和BR变硬增加了颗粒间的摩擦而引起摩擦感度升高,导致炸药因安全性能降低而失效。最后,以药柱的失重率作为失效判据,选择Arrhenius模型预估混合炸药的安全贮存寿命,计算得到炸药在常温下(20 ℃)的贮存寿命为15.3年,为武器弹药老化和贮存寿命的研究提供一定的参考价值。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ560.1
【图文】：

粘结剂,混合炸药,炸药配方,分子结构

２．２模型构建和模拟细节逡逑２．２．１模拟组分的选择逡逑环三亚甲基三硝胺（黑索今）即ＲＤＸ，化学式为Ｃ３Ｈ６Ｎ６０６，分子结构如图２．１，密逡逑度１．８２邋ｇ／ｃｍ３，是一种典型的六元杂环硝胺类单体猛炸药。因为ＲＤＸ具有能量高，威力逡逑大，热稳定性好，化学性质稳定等特点，常被作为混合炸药、发射药和推进剂的主炸药。逡逑单一组分的含能材料因感度较高，力学性能和相容性较差而不直接使用。因此，在实际逡逑使用中常加入高分子材料如粘结剂、钝感剂、增塑剂等助剂改善炸药的性能。逡逑丫逡逑ｒ逡逑图２．１邋ＲＤＸ分子结构逡逑混合炸药中可以加入的粘结剂种类丰富，炸药配方中常用的粘结剂包括含氟高分子、逡逑聚氨酯弹性物、橡胶和弹性体、有机硅高分子等。其中，顺丁橡胶（ＢＲ）作为目前世逡逑９逡逑

混合炸药,力学性能,机械感度,橡胶分子

超晶胞,构象

图２．３邋ＲＤＸ的原始晶胞（ａ）和（２ｘ２ｘ３）邋ＲＤＸ超晶胞（ｂ）逡逑根据试验样品的要求，即粘结剂质量分数约为５％，取顺丁橡胶（ＢＲ）分子的链节逡逑数ｎ＝１７，分子链数为１，端基用一Ｈ加以饱和，初始结构式如图２．４邋（ａ）。将搭建的高逡逑聚物模型运用Ｄｉｓｃｏｖｅｒ模块，以Ｃｏｍｐａｓｓ力场进行ＭＤ模拟。首先进行１００００步的最逡逑小优化（Ｍｉｎｉｍｉｚｅ），使其能量降低。然后在ＮＹＴ系综下，采用Ａｎｄｅｒｓｏｎ控温器，温逡逑度设定为２９８邋Ｋ，时间步长为１．０邋ｆｓ，总模拟时间为２．５邋ｎｓ，获得的最终构象为ＢＲ分子逡逑的模拟平衡构象，见图２．４邋（ｂ）。逡逑１１逡逑

【参考文献】