分子动力学法研究掺杂缺陷对HMX/NQ共晶炸药性能的影响

为了研究掺杂晶体缺陷对HMX/硝基胍(NQ)共晶炸药性能的影响,分别建立了"完美"型与含有掺杂缺陷的HMX/NQ共晶炸药模型;采用分子动力学方法,预测了各种模型的稳定性、感度、爆轰性能和力学性能,得到了不同模型的结合能、引发键键长分布、引发键键连双原子作用能、内聚能密度、爆轰参数和力学参数并与"完美"型模型进行了比较。结果表明,与"完美"型晶体相比,缺陷晶体的结合能减小幅度为1.28%～11.05%,表明分子之间的相互作用力减弱,炸药的稳定性降低;缺陷晶体的引发键键长增大幅度为0.46%～5.29%,而键连双原子作用能减小幅度为0.63%～17.24%,内聚能密度减小幅度为0.83%～10.85%,表明炸药的感度升高,安全性降低;缺陷晶体的密度、爆速和爆压减小幅度分别为0.89%～7.06%、0.68%～5.41%、1.85%～14.18%,表明威力与能量密度降低;由于晶体缺陷的影响,拉伸模量、体积模量和剪切模量减小幅度分别为0.106～4.368GPa、0.086～2.573GPa和0.082～1.835GPa,柯西压增大幅度为0.108～1.787GPa,表明炸药的刚性与硬度降低,延展性增强。因此,晶体缺陷会对HMX/NQ共晶炸药的稳定性、感度和爆轰性能产生不利影响。     

CL-20/DNB共晶炸药晶体缺陷的理论计算

为了研究晶体缺陷对CL-20/DNB共晶炸药的力学性能、稳定性、感度与爆轰性能的影响,建立了"完美"型及带有晶体缺陷(掺杂、空位与位错)的CL-20/DNB共晶炸药模型;采用分子动力学方法计算了不同模型的力学性能、结合能、引发键键长分布、键连双原子作用能、内聚能密度与爆轰参数。结果表明,与"完美"型晶体相比,缺陷晶体的拉伸模量、体积模量与剪切模量的值减小,而柯西压的值增大,表明体系的刚性减弱,塑性与延展性增强;缺陷晶体的结合能减小幅度为9.30%~17.21%,表明炸药中分子之间的相互作用力减弱,炸药的稳定性变差;缺陷晶体的引发键最大键长增大幅度为0.45%~4.76%,而键连双原子作用能减小幅度为5.10%~17.20%,内聚能密度减小幅度为2.45%~13.71%,表明其感度增大,安全性变差;缺陷晶体的密度与爆轰参数减小,其中空位缺陷对能量的影响最大。因此,晶体缺陷会对CL-20/DNB共晶炸药的稳定性、感度与能量特性产生不利影响。     

外电场对HMX/DMI共晶感度影响的理论研究

为研究外电场对共晶含能材料HMX/DMI感度的影响,分别采用DFT-B3LYP-D3、M06-2X-D3和ωB97XD方法,在6-311+G(d,p)水平下,对HMX/DMI的稳定构型施加±0.005a.u.、±0.010a.u.、0.00a.u.的外电场,分析了电子密度转移、硝基基团电荷、分子表面静电势及引发键变化。结果表明,施加正向外电场时,电场强度越大,炸药感度越高。施加负向外电场时,电场强度越大,炸药感度越低;随着负向外加电场的增强,引发键电子云密度越大,引发键强度增大,导致HMX/DMI感度降低;负向外加电场增加,硝基基团所带负电荷由0.126e增至0.325e,感度降低;分子表面静电势研究分析表明,施加负向电场时,分子表面静电势增大,共晶感度降低;引发键变化分析表明,负向外加电场强度增加,引发键键长由0.1386nm降至0.1367nm,引发键键解离能由180.252kJ/mol增加到180.782kJ/mol,共晶化合物感度降低。     

5,5'-氧化偶氮双(4-硝基-1,2,3-三唑-1-)氧化呋咱的理论研究与性能预估

设计了一种新型富氮类高能量密度化合物5,5'-氧化偶氮双(4-硝基-1,2,3-三唑-1-)氧化呋咱,采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G**基组水平上得到该化合物全优化构型;在振动分析的基础上求得体系的振动频率、IR谱;通过键级分析得到热解引发键的键离解能(BDE);预估了该化合物密度、生成焓、爆速、爆压和爆热,并预测了撞击感度.结果表明,该化合物存在11个强吸收峰,校正后热解引发键的BDE为144.77kJ/mol,热分解活化能为204.93kJ/mol,稳定性较优;密度1.975g/cm3、生成焓963.837kJ/mol、爆速9015m/s(K-J)、9337m/s(VLW),爆压38.64GPa(K-J)、50.60GPa(VLW);撞击感度H50为16.89cm,稍低于RDX(24cm)和HMX(26cm).     

5,5′-氧化偶氮双(4-硝基-1,2,3-三唑-1-)氧化呋咱的理论研究与性能预估

设计了一种新型富氮类高能量密度化合物5,5′-氧化偶氮双(4-硝基-1,2,3-三唑-1-)氧化呋咱,采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G**基组水平上得到该化合物全优化构型;在振动分析的基础上求得体系的振动频率I、R谱;通过键级分析得到热解引发键的键离解能(BDE);预估了该化合物密度、生成焓、爆速、爆压和爆热,并预测了撞击感度。结果表明,该化合物存在11个强吸收峰,校正后热解引发键的BDE为144.77 kJ/mol,热分解活化能为204.93 kJ/mol,稳定性较优;密度1.975 g/cm3、生成焓963.837 kJ/mol、爆速9 015 m/s(K-J)、9 337 m/s(VLW),爆压38.64 GPa(K-J)、50.60 GPa(VLW);撞击感度H50为16.89 cm,稍低于RDX(24 cm)和HMX(26 cm)。     

梯黑铝混合装药唯象动力学性质研究

为分析某型报废火箭炮弹内部梯黑铝混合装药唯象动力学性质,采用差示扫描量热仪测定了其热分解过程。分别得到梯黑铝炸药样品在5,10,20℃/min升温速率下的DSC曲线和相关特征数据。利用非模函数Ozawa方程,结合线性回归分析,计算了梯黑铝炸药的动力学参数,求得活化能Ea=59.035 0 kJ/mol,相关系数r=0.999 53。     

不同温度下ε-CL-20晶体感度和力学性能的分子动力学模拟计算

用分子动力学(MD)模拟计算研究了在NPT系综和不同温度(195、245、295、345、395K)下高能量密度化合物ε-CL-20的(2×3×3)超晶胞及其沿(001)晶面的模型切割。结果表明,室温下所得晶胞参数与实验值一致。随着温度的升高,引发键(N-NO2)最大键长(Lmax)递增、引发键连双原子作用能(EN-N)和内聚能密度递减,与体系热和撞击感度随温度升高而增大的实验事实相一致,表明Lmax、EN-N和内聚能密度可作含能化合物热感度和撞击感度相对大小的理论判据。获得了5个温度下ε-CL-20的力学性能,从理论上揭示了其力学性能随温度的升高而递变的规律。     

ANPyO在不同温度下晶体感度和力学性能的分子动力学模拟

NPT系综下,用COMPASS力场对ANPyO超晶胞及沿其（4,0,-2）晶面切割的两种模型分别进行不同温度（195、245、295、345、395 K）下的分子动力学模拟。结果表明,随着温度的升高,ANPyO引发键最大键长递增,引发键双原子作用能和内聚能递减,这与炸药感度随温度升高而增大的事实相一致,一定条件下它们可作为炸药感度判定的理论依据。获得了5个温度下ANPyO和ANPyO（4,0,-2）的力学性能,从理论上揭示了其力学性能随温度递变的规律。     

ANPyO在不同温度下晶体感度和力学性能的分子动力学模拟

NPT系综下,用COMPASS力场对ANPyO超晶胞及沿其(4,0,-2)晶面切割的两种模型分别进行不同温度(195、245、295、345、395 K)下的分子动力学模拟。结果表明,随着温度的升高,ANPyO引发键最大键长递增,引发键双原子作用能和内聚能递减,这与炸药感度随温度升高而增大的事实相一致,一定条件下它们可作为炸药感度判定的理论依据。获得了5个温度下ANPyO和ANPy O(4,0,-2)的力学性能,从理论上揭示了其力学性能随温度递变的规律。     

碳纤维的模量理论

模量是一项重要的力学性能指标,且与比热等热物理性质密切相关。石墨的理论模量为1000GPa(1020×10~6kg/cm~2),目前中间相沥青碳纤维的模量已达到700GPa,是理论值的70％,与石墨晶须的模量相当。科学工作者正在研制模量为860GPa的碳纤维。这可称为真正的超高模碳纤维(UHM·CF)。本文主要论述模量的概念、与择优取向(PO)的关系、模量的理论分析以及影响模量的诸因素。     

PBX9501热感度、热膨胀及力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究了不同温度和压强条件下PBX9501炸药的热感度、热膨胀和力学性能。通过体系中各组分最大引发键键长的变化判断温度对其热感度的影响;预测了PBX9501体系在不同温度下的热膨胀系数;采用静态力学理论分析其力学性能随温度和压强的变化。结果表明,在295~450K,随温度的升高,PBX9501炸药的敏感性增大,且在375K时其引发键的最大键长显著增大;热膨胀系数随温度升高而减小;随温度升高其脆性越明显,随压强的增加其韧性越好。     

氧化石墨烯对RDX/PMMA安全性能及力学性能影响

为改善RDX的安全性能和力学性能,采用乳液聚合法制备RDX/聚甲基丙烯酸甲酯/氧化石墨烯(RDX/PMMA/GO)微球,并用相同方法制备了RDX/PMMA复合粒子进行对比;通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和差示扫描热量仪(DSC)对样品进行表征,并测试其撞击感度和药柱的静态力学性能。结果表明,包覆后RDX/PMMA微球形貌趋于球形,RDX/PMMA/GO粒子存在明显的层状皱褶;RDX晶型均未发生改变;与原料RDX和RDX/PMMA相比,RDX/PMMA/GO微球的表观活化能分别提高22.16kJ/mol和15.17kJ/mol,升温速率趋近于0时的峰温和热爆炸临界温度与原料RDX相比分别提升6.45℃和6.23℃;特性落高由包覆前的26.74cm分别提至62.95cm和78.52cm,撞击感度明显降低。RDX/PMMA/GO抗压强度比RDX/PMMA增加了7.5MPa,表明GO的加入对复合材料的力学性能提升明显。     

一水合双四唑乙烷氨基胍的制备及性能研究

采用一锅法制备了新型高氮化合物——一水合双四唑乙烷氨基胍盐(CH7N4·C4H4N8·H2O)。用红外光谱和元素分析对其单晶进行了表征,用X射线单晶衍射法测定了其晶体结构;用TG-DTG法和DSC法测试了其热性能;用Kissinger法和Ozawa法计算了其非等温动力学参数;用氧弹量热法测试了其燃烧热;用K-J方程计算了其爆速、爆压,并测试了其机械感度。结果表明,该晶体属于单斜晶系,空间群为C2/c(No.15),晶胞参数为:a=1.126 1(2)nm,b=0.710 62(14)nm,c=2.724 1(5)nm,β=95.95(3)°,V=2.168 2(8)nm3,Z=4,理论密度为1.527g/cm3;该化合物在289.3℃开始分解,具有良好的热稳定性,其非等温动力学反应活化能为219.05kJ/mol,指前因子lg(A/s-1)为38.61;燃烧热为9.515MJ/kg,生成焓为2 892.2kJ/mol,爆速为6.95km/s,爆压为19.3GPa;撞击感度高于50cm,摩擦感度为0,表明该化合物具有较低的机械感度和良好的热稳定性。     

含氟唑类含能化合物分子设计及性能预测

以三唑和四唑为主体骨架结构设计了11种新型含氟唑类含能化合物,采用密度泛函理论,优化了化合物的几何结构,计算了化合物的密度、生成焓、爆速、爆压和撞击感度等相关性能参数。计算结果表明,含氟基团的引入使化合物具有较高的键离解能和较好的热稳定性,且对化合物的撞击感度影响较小;除二氟氨基二硝基联三唑外所有化合物的密度均在1.90g/cm3以上,爆速均在8.32~11.13km/s之间,爆压均在31.97~56.31GPa之间;所有化合物都具有较好的热稳定性,其键离解能均大于230kJ/mol;化合物的撞击感度分布在17.51~38.85cm之间;各基团对化合物密度贡献的大小顺序为:-OCF3>-CF3>-NF2>-F>-CF(NO2)2,基团对能量贡献的大小顺序为:-F(NO2)2>-OCF3>NF2;根据理论计算结果优选出了两种性能较好的含能化合物1-三氟甲氧基-3,5-二硝基-1H-1,2,4-三唑和1-三氟甲基-3,5-二硝基-1,2,3,4-四唑,两种化合物的密度分别为2.03和2.10g/cm3,生成焓分别为-170.73和-146.24kJ/mol,爆速分别为9.32和9.23km/s,爆压分别为40.23和32.60GPa,二者能量水平高于DNMT;撞击感度(H50)分别为33.10和38.85cm。     

硅烷表面修饰氧化铝对聚丙烯的力学和耐热性能的影响

以3%氧化铝(Al2O3)或3种硅烷偶联剂表面修饰过的氧化铝为增强剂,采用高速混合与熔融挤出结合方法制备Al2O3/聚丙烯(PP)复合材料。研究硅烷表面修饰氧化铝对PP力学性能和耐热性能的影响。结果表明,采用硅烷偶联剂γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)对氧化铝表面修饰后,Al2O3/PP复合材料的性能得到改善。拉伸强度由33.80 MPa略降至32.63 MPa,冲击强度由14.58 kJ/m2增加至19.79 kJ/m2,拉伸模量由0.25 GPa增加至0.27 GPa,邵氏硬度D由75增加到84;同时Al2O3/PP复合材料的耐热性能有明显提高。     

CL-20/DNT共晶炸药的制备及其性能研究

以丙酮为溶剂,通过蒸发结晶法制得六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/二硝基甲苯(DNT)共晶炸药。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和热重/差示量热法(TGA/DSC)研究了共晶炸药的形貌、结构和热分解特性,测试了CL-20/DNT共晶炸药的机械感度和5s爆发点温度,并计算了其爆轰性能。结果表明,共晶炸药的微观形貌不同于原料CL-20,呈条状晶体;衍射峰明显不同于CL-20/DNT物理混合物的衍射峰,表明有新物相生成。在DSC曲线上,CL-20/DNT共晶几乎没有DNT的熔化吸热峰,而CL-20/DNT物理混合物中有明显的熔化峰,且二者的放热峰峰形和峰位不同;与原料CL-20相比,共晶炸药的分解峰温提前了21℃,放热量(ΔH)和最大热流量(Qmax)分别增加了39%和104%。与CL-20/DNT物理混合物相比,共晶炸药的5s爆发点温度和表观活化能分别增加3.9℃和65.7kJ/mol,撞击感度降低88.9%,摩擦感度降低40%,说明共晶炸药热稳定性增强。CL-20/DNT共晶炸药的理论爆速达到8 340m/s。     

乌拉盖褐煤热解特性及反应动力学参数研究

为获得较好的褐煤半焦制备工艺参数,研究了不同制备条件(热解终温、升温速率、原煤粒径、热解气氛)下制得的乌拉盖褐煤半焦的燃烧性能和燃烧动力学参数。结果表明,热解终温对半焦品质的影响最大,热解升温速率、原煤粒径和热解气氛对半焦燃烧特性的影响不显著。热解终温由350℃升至600℃时,反应指数RI由235℃升至292℃,半焦着火性能变差;燃尽指数Cb由4.68升至6.15,半焦燃尽性能变差;爆炸指数Kd由2.54降至0.46,半焦爆炸倾向性变低;反应活化能由44.4 k J/mol升至63.4 k J/mol,半焦燃烧动力学特性变差。热解终温为520℃时制得的半焦反应指数、燃尽指数、爆炸指数和反应活化能分别为265℃,5.34、0.80和53.2 k J/mol,属于易着火、易燃尽、中等爆炸燃料,燃烧特性良好。     

The breaking strength of ultra-high molecular weight polyethylene fibers

Ultimate mechanical properties of polyethylene fibers were measured. Results are in close agreement with the stress-induced melting theory of fracture (for finite molecular weight polymers). The perfect fiber work of rupture W_c, modulus K_c, strength σ_c, and strain _c are found to be W_c=0.084±0.003 GPa; σ_c=7.5 GPa; K_c=335±12 GPa; _c=0.0225±0.0005. The activation energy of fracture is measured as ≈108 kJ/mol—the activation energy of polyethylene fusion and one-third the activation energy of bond scission. Non-uniformity of fibers necessitates averaging properties over several test lengths. Actual stress-strain curves are decomposed into thermodynamic and irreversible components. Fusion theory applies to the thermodynamic component..