高能体系结构和性能的分子动力学研究

【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(F_(2311))和氟树脂(F_(2314)),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＞F_(2311)＞F_(2314)＞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)/F_(2311)(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(E_(bind))影响较小。通过对相关函数g(r)分析,揭示了F_(2311)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-NO_2键)的平均键长(L_(N-NO2))和最大键长(L_(max));发现计算所得L_(max)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。