热与冲击波作用下典型炸药原子团簇演化过程研究

发布时间：2020-10-10 02:19

　　原子团簇在自然界及人类实践活动中广泛存在,涉及燃烧、爆炸、催化、凝聚态成核、生长等过程和现象。在含能材料领域,某些炸药的燃烧及爆炸产物里含有较多的富碳原子团簇,它们的演化过程和机理对理解炸药爆轰成长过程、评估炸药爆轰、安全性能有重要意义。目前,炸药原子团簇的演化细节及其对反应区结构的影响机制尚不清楚。炸药爆炸具有高温高压及反应瞬时性,导致团簇演化信息很难通过实验获得。为此,本文采用基于反应力场的分子动力学模拟方法,对炸药反应过程中原子团簇的演化进行了研究,全文主要包括以下四个部分内容。第一部分为方法研究。在研究方法上,通过调研、摸索和对比,选择了 ReaxFF力场作为描述原子间相互作用的势函数,确定了热与冲击波的加载方法及其关键参数,建立了相关计算模型。在模型前处理及数据后处理方面开展了大量相关程序代码的编写或改写工作。第二部分为热加载下的团簇演化研究。为获得化学组份及温度对团簇演化的影响规律,分别对TATB、HMX、PETN三种典型炸药在2000K,2500K和3000K恒温条件下的原子团簇演化过程进行了研究。结果显示,团簇的产生速度、团簇数量、团簇尺寸、团簇寿命和团簇在整个体系中的质量占比都是以TATB、HMX、PETN的顺序依次降低的。三种炸药团簇演化情况的差异可以部分归因于炸药的氧平衡、分子间的碰撞概率、炸药密度和分子稳定性的不同。为获得加热条件对团簇演化的影响规律,研究了 TATB在程序升温,恒温加热和绝热加热三种条件下团簇演化的规律。结果表明,温度和加热持续时间强烈地影响团簇的演化过程,其本质原因在于,团簇的产生和持续存在是分子间碰撞与分子分解两种彼此竞争的因素相互平衡的结果,过高或过低的温度都不利于团簇的形成。为获得炸药爆炸后期富碳团簇的演化情况,提出了一种针对复杂反应的顺序分子动力学模拟策略,利用该策略,通过加热、膨胀和冷却的顺序开展模拟,重现了 TATB爆炸后原子团簇充分扩散演化的过程,获得了 TATB石墨化的过程机理:TATB分解,原子聚集形成团簇,团簇结构调整形成碳层结构,碳层结构逐步生长、堆叠形成最终的石墨。第三部分为冲击波加载下的团簇演化研究。冲击波具有方向性,为研究冲击波加载下团簇的演化,对TATB沿X(a轴)和Z(c轴)两个不同晶向开展了加载模拟研究。结果显示,相同速度冲击波加载下沿X方向加载时体系的温度、应力、体积压缩率、TATB分解速率、TATB多聚体产生的数量、团簇产生速率和团簇占比总体上明显高于Z方向。沿X方向加载时TATB的冲击波感度明显高于沿Z方向加载时TATB的冲击波感度。方向相关的可压缩性引起的温度上升差异是导致TATB晶体冲击波感度各向异性的重要原因。为研究晶体缺陷对团簇演化过程及冲击波感度的影响,对含孪晶HMX晶体和理想HMX晶体开展了冲击波加载模拟研究。结果表明,孪晶比理想晶体更容易产生团簇,对同种炸药而言,越容易产生团簇的状态也是越容易发生反应的状态。不论是对于孪晶还是理想晶体,冲击波速度越高体系产生的团簇越大。大部分团簇随着时间的推移逐渐分解,只有演化出稳定结构的团簇(比如石墨)才会成为最终产物。相同速度冲击波加载下孪晶体系的温度、分解速率和团簇产生速率总体上明显高于理想晶体,说明孪晶比理想晶体拥有更高的冲击波感度。在孪晶体系内,在冲击波加载初期围绕孪晶面存在一个温度梯度,孪晶面温度最高,意味着孪晶面容易形成热点,其根本原因在于孪晶面及其附近的原子具有更大的自由体积,这些原子更容易被加速到更高的振动速度从而发生断键,形成热点源,这也解释了为什么孪晶HMX晶体比理想HMX晶体拥有更高的冲击波感度。第四部分为团簇演化过程的应用研究。将本文获得的多种炸药在不同高温或不同冲击波作用下的主要初始反应及其频率、反应产物种类和分布、体系的温度和压力、团簇演化及能量释放速率等信息用于描述对应炸药的分解反应细节,用于刻画相应炸药反应区的精细结构,用于预估炸药安全性能及能量水平。用团簇演化过程解释了炸药反应区宽度排序,以TNT、HMX及CL-20为研究对象,对比了三种炸药的团簇演化情况,推导出三种炸药的反应区宽度排序,结果和试验值一致,都为TNTHMXCL-20。使用本文研究含孪晶HMX的思路和方法研究了位错对RDX感度的影响。针对RDX来说其主要的晶体缺陷是刃型位错和螺旋型位错,含刃型位错晶体的感度明显高于含螺旋型位错晶体和理想晶体的感度。主要是因为刃型位错同螺旋型位错和理想晶体相比具有更大的自由体积。同时研究还发现,冲击下含位错缺陷RDX晶体更容易产生团簇。使用反应产物及团簇分析方法,研究了石墨烯团簇在硝基甲烷高温分解中的催化机理,发现石墨烯团簇的自功能化对其催化活性有重要贡献,功能基团和硝基甲烷之间的原子交换是石墨烯团簇出现催化活性的根本原因;研究了基于苯燃烧的有毒团簇的形成过程,发现苯高温裂解比苯燃烧产生的团簇更大;研究了高温反应性碳气体的降温演化过程,发现在特定温度下出现单壁碳纳米管的生长过程,并获得了相应生长机理。本文的研究思路和方法对研究炸药在热和冲击波刺激下的响应、对评估炸药的安全性能和能量水平、对研究炸药结构和性能各向异性之间的关系以及对探索各种晶体缺陷在外界刺激下对炸药感度的影响程度具有积极的借鉴和指导作用。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TQ560.1
【部分图文】：

单质炸药,氨基苯,硝基,六硝基

作将在第五章中详细论述。逡逑本文主要涉及的六种炸药ＴＡＴＢ、ＴＮＴ、ＨＭＸ、ＲＤＸ、ＰＥＴＮ和ＣＬ－２０的分子结构逡逑和分子式如图１．２所示。逡逑oQｆ趄逡逑ＴＡＴＢ逦ＴＮＴ逦ＨＭＸ逡逑Ｃ６Ｈ６０６Ｎ６逦Ｃ７Ｈ５０６Ｎ３逦ＣｔＨｉｉＯｓＮｓ逡逑＾逦ｕ逦％逡逑ＲＤＸ逦ＰＥＴＮ逦ＣＬ－２０逡逑Ｃ３Ｈ６Ｏ６Ｎ６逦Ｃ５Ｈ８Ｏ１２Ｎ４逦Ｃ６Ｈ６0１２Ｎｉ２逡逑图１．２具有典型意义的单质炸药，三硝基三氨基苯（ｌ，３，５－ｔｒｉａｍｉｎｏ－２，４，６－ｔｒｉｎｉｔｒｏｂｅｎｚｅｎｅ，ＴＡＴＢ），逡逑三硝基甲苯（２，４，６－Ｔｒｉｎｉｔｒｏｔｏｌｕｅｎｅ，ＴＮＴ），奥克托金（ｏｃｔａｈｙｄｒｏ－ｌ，３，５，７－ｔｅｔｒａｎｉｔｒｏ－ｌ，３，５，７－ｔｅｔｒａｚｏｃｉｎｅ，逡逑ＨＭＸ），黑索金（ｌ，３，５－ｔｒｉｎｉｔｒｏｐｅｒｈｙｄｒｏ－ｌ，３，５－ｔｒｉａｚｉｎｅ邋ｌ，３，５－ｔｒｉｎｉｔｒｏ－ｌ，３，５－ｔｒｉａｚａｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｅ，ＲＤＸ），逡逑泰安（ｐｅｎｔａｅｒｙｔｈｒｉｔｏｌ邋ｔｅｔｒａｎｉｔｒａｔｅ，ＰＥＴＮ），六硝基六l#杂异伍兹q<（Ｈｅｘａｎｉｔｒｏｈｅｘａａｚａｉｓｏｗｕｒｔｚｉｔａｎｅ，逡逑ＣＬ－２０）逡逑１５逡逑

方法,势函数,前处理,后处理

应用在热、冲击条件下炸药结构演化、分解等方面［２４］。本工作主要通过ＭＤ方法揭示在逡逑热和冲击作用下炸药原子团簇的产生和演化过程。逡逑本文涉及的主要研宄方法如图２．１所示，整个研究过程使用到的方法大致可以分为逡逑前处理、计算求解及后处理方法三部分。前处理过程包括建立炸药模型、选择原子势函逡逑数等；计算求解部分的工作包括势函数的嵌入和调用、设置弛豫方式、设定温度控制、逡逑冲击波加载等特殊计算参数、根据计算条件设置积分步长、设置动力学输出时间间隔和逡逑轨迹收集时间间隔等；后处理过程包括轨迹可视化处理、结构分析和快照生成、热力学逡逑信息处理、产物信息处理、团簇信息处理及反应路径分析和统计等。本文在前处理、求逡逑解计算特别是后处理部分开展了大量工作，根据具体应用情况，本节将依次对ＭＤ方法、逡逑前处理、计算求解和后处理工作进行介绍。逡逑＿｜分模型逦晶体模型逦微结构模型逡逑——前处理－势函数选择逦势函数嵌入逦势函数验证逡逑Ｍａｔｅｒｉａｌｓ逦ｒ邋？＂—上逡逑ｓｔｕｄｉｏ，逦Ｌ力热环境逦控温力？式邋弛豫力＇式逡逑ＣＣＤＣ逡逑步长设置逦动力学信息逡逑轨迹收集逦断点续算逡逑键级信息逦温控压控逡逑Ｒｅａｘｆｆｊｇ逦Ｌ热力学信息逦特殊参数逡逑ＭＳＳＴ逡逑■热力学信息逦结构信息逡逑￣■后处理Ｉ－轨迹可视化结构快照逡逑ｒ0ｍＥｙｅ逦Ｌ逦；产物信息逦团簇信息逡逑Ｏｒｉｇｉｎ逡逑自编脚本逡逑图２．１本文涉及的研宄方法逡逑１８逡逑

示意图,互作用,分子,键能

可简单归纳为分子间和分子内相互作用，一般包括键能私ａｔｅ＿（键伸缩能尽＿／、键角弯逡逑曲能尽＾、二面角扭转能五＿＆等）和非键能瓦。（范德华能五Ｗｗ和库伦能瓦。＿）逡逑两个部分，这些相互作用的示意图如图２．２所示。体系的势能可表示为：逡逑２０逡逑

【参考文献】