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高能体系结构和性能的分子动力学研究

2020-11-28阅读(308)

高能体系结构和性能的分子动力学研究

论文摘要

以典型硝胺化合物RDX、HMX和固体推进剂中常用氧化剂AP为主体,通过混入高聚物等添加剂构成高聚物粘结炸药（PBX）和固体推进剂模型,用分子动力学（MD）方法,对这些高能混合体系,进行系统的计算和模拟,求得它们的广义结构和性能,为它们的配方设计提供了丰富信息和规律。全文大体包括两部分内容:第一部分研究RDX晶体及其为基的含氟高聚物PBX的结构和性能。在COMPASS力场下对RDX晶体作不同温度（195～445K）的NPT-MD模拟。求得RDX晶体结构、热膨胀系数和力学性能随温度而递变的规律:RDX的晶胞参数和体积均随温度升高而递增;线膨胀系数和体膨胀系数均随温度升高略有上升;弹性系数和（拉伸、体积、剪切）模量均随温度升高而下降,表明体系的刚性随温度升高而下降。将四种典型氟聚物粘结剂:聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚三氟氯乙烯（PCTFE）、氟橡胶(F2311)和氟树脂(F2314),分别置于RDX的（001）、（010）和（100）晶面上,依次对所得12种PBX模型进行COMPASS力场下的NVT-MD模拟。首次报导了常温下RDX基PBX的力学性能、结合能和爆轰性能及其随氟聚物粘结剂种类以及不同RDX晶面而递变的规律:少量氟聚物粘结剂的加入明显改善RDX的力学性能且对RDX不同晶面力学性能的改善效果并不一样,其中PVDF置于不同晶面均能较好改善体系的各向同性力学性能。氟聚物与RDX各晶面之间的相互作用均为PVDF＞F2311＞F2314＞PCTFE。少量氟聚物虽使RDX的爆炸性能有所下降,但仍较常用炸药TNT高得多,故所得PBXs仍不失为具较高开发和应用价值的高能复合材料。结合实验工作的需要优选出RDX（001）、（010）和（100）/F2311（氟橡胶）三种PBX模型,完成了它们在不同温度（245～455K）下的NVT-MD模拟,探讨了温度（T）对PBX力学性能和结合能的影响。结果表明,温度对力学性能影响较大,而对结合能(Ebind)影响较小。通过对相关函数g（r）分析,揭示了F2311与RDX之间存在的氢键和vdW作用,从本质上解释了结合能随温度的变化态势。第二部分用自行建立的修正PCFF（MPCFF）力场对固体推进剂配方的多种分解和综合模型体系,进行了系统的NVT-MD模拟研究,找到了高能混合体系的感度理论判据。高氯酸铵（AP）是固体推进剂的重要组分,至今没有适用的力场参数。我们借助量子化学计算和实验结果,拟合出AP的力场参数,并将其编入PCFF力场之中。该新建立的含AP力场参数的修正后PCFF（MPCFF）力场,经验证表明,完全适用于高能固体推进剂结构一性能的模拟研究。以AP/HMX二组分体系为例,在MPCFF力场下,通过不同温度的NPT-MD模拟,求得其热膨胀系数和结合能及其随温度而递变的规律,并采用对相关函数g（r）分析,揭示了AP和HMX之间相互作用的本质。对不同配比和不同温度下的AP/HMX二元混合体系,进行MPCFF力场下的NVT-MD模拟,求得结合能和HMX的热解和起爆引发键（N-NO2键）的平均键长(LN-NO2)和最大键长(Lmax);发现计算所得Lmax与实验感度之间存在平行递变关系。建议以高能复合材料中易爆燃组分引发键的最大键长作为其热和撞击等感度的理论判据,借以阐明、比较或预示它们的相对安全性。对固体推进剂配方的多种分解和综合模型体系,亦即不同配比的二组分体系AP/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1:4）、PEG/HMX（1:1和1:6）、PEG/NG（1:2和1:4）和PEG/BTTN（1:2和1:4）,三组分体系（NG/BTTN）/AP（3:1、2:1、1:1和1:2）以及五组分体系（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）进行MPCFF力场下的NVT-MD模拟研究,提供结合能和易爆燃组分引发键的最大键长随组成和配比而变化的丰富信息和递变规律,用于比较或预示它们的相对安全性,有利于指导或供实际配方设计作参考。总之,本文对PBX和推进剂等多类型高能混合体系的结构和性能,用分子动力学方法进行了深入系统的模拟研究,在这一多学科交叉的前沿研究领域,做出了具有开拓和创新性的工作,较好地完成了国家“973”和国家自然科学基金等项目赋予的各项应用基础科研任务。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究目的和意义
  • 1.2 研究概况
  • 1.3 理论方法简介
  • 1.3.1 分子力学方法
  • 1.3.2 分子动力学方法
  • 1.3.3 静态力学分析方法
  • 1.3.4 爆速爆压预测方法
  • 1.3.4.1 K-J方程
  • 1.3.4.2 ω-Γ方法
  • 1.4 研究内容和思路
  • 参考文献
  • 第二章 典型杂环硝胺RDX的晶体结构与性能
  • 2.1 引言
  • 2.2 模型搭建和MD模拟细节
  • 2.3 结果与讨论
  • 2.3.1 力场选择和平衡判别
  • 2.3.1.1 力场的选择
  • 2.3.1.2 平衡的判别
  • 2.3.2 不同温度下的晶体结构和热膨胀性能
  • 2.3.3 力学性能
  • 2.3.3.1 纯RDX的力学性能
  • 2.3.3.2 纯RDX在不同温度下的力学性能
  • 2.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第三章 RDX基含氟高聚物粘结炸药的结构与性能
  • 3.1 引言
  • 3.2 计算方法和模型
  • 3.2.1 模型的构建
  • 3.2.2 模拟细节
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 平衡判别
  • 3.3.2 力学性能
  • 3.3.3 结合能
  • 3.3.4 爆炸性能
  • 3.4 本章小结
  • 参考文献
  • 2311PBX力学性能的影响'>第四章 温度对RDX/F2311PBX力学性能的影响
  • 4.1 引言
  • 4.2 计算方法和模型
  • 4.2.1 模型的构建
  • 4.2.2 模拟细节
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 平衡判别
  • 4.3.2 温度对力学性能的影响
  • 4.3.3 温度对结合能的影响
  • 4.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 AP分子力场的建立、验证和应用
  • 5.1 引言
  • 5.2 原理方法和模型
  • 5.2.1 AP力场参数优化和PCFF力场修正
  • 5.2.2 MD模拟细节
  • 5.3 结果和讨论
  • 5.3.1 平衡判别
  • 5.3.2 力场参数的验证
  • 5.3.3 AP/HMX混合体系的结合能
  • 5.3.4 AP/HMX混合体系的热膨胀系数
  • 5.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 高能混合物的感度理论判据
  • 6.1 引言
  • 6.2 原理、方法和模型
  • 6.2.1 MD模拟力场和条件
  • 6.2.2 模型构建和模拟细节
  • 6.3 结果和讨论
  • 6.3.1 平衡判别
  • 6.3.2 不同配比的AP/HMX NVT-MD模拟
  • 6.3.2.1 结合能
  • 6.3.2.2 引发键键长
  • 6.3.3 不同温度下AP/HMX（1∶1）二元体系的MD研究
  • 6.3.3.1 结合能
  • 6.3.3.2 引发键键长
  • 6.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 高能混合体系的感度理论预测——二组分体系
  • 7.1 引言
  • 7.2 模拟方法、模型和细节
  • 7.2.1 MD模拟力场和条件
  • 7.2.2 模型构建和模拟细节
  • 7.3 结果和讨论
  • 7.3.1 不同配比的AP/NG混合体系
  • 7.3.1.1 平衡判别和平衡结构
  • 7.3.1.2 结合能
  • 7.3.1.3 引发键键长
  • 7.3.2 不同配比的AP/BTTN混合体系
  • 7.3.2.1 BTTN晶体结构的预测
  • 7.3.2.2 平衡结构
  • 7.3.2.3 结合能和引发键键长
  • 7.3.3 质量比为1∶1的HMX/BTTN和HMX/NG混合体系
  • 7.3.3.1 平衡结构
  • 7.3.2.2 结合能和引发键键长
  • 7.3.4 PEG与AP、HMX、NG、BTTN的混合体系
  • 7.3.4.1 平衡结构
  • 7.3.4.2 结合能和引发键键长
  • 7.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第八章 高能混合体系的感度理论预测——多组分体系
  • 8.1 引言
  • 8.2 模拟方法、模型和细节
  • 8.3 结果和讨论
  • 8.3.1 AP/（NG/BTTN）三组分体系
  • 8.3.1.1 平衡结构
  • 8.3.1.2 结合能
  • 8.3.1.3 引发键键长
  • 8.3.2 （PEG/NG/BTTN）/AP/HMX五组分体系
  • 8.3.2.1 平衡结构
  • 8.3.2.2 结合能
  • 8.3.2.3 引发键键长
  • 8.4 本章小结
  • 参考文献
  • 总结与展望
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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