聚合材料老化科学

这是LANL一项为期三年的实验室研究项目的一份总结报告。其目的是寻求更好的方法和技术来进行和分析聚合材料和加速老化研究，从而发展出更可靠的方法来预测聚合材料在服役期内的力学性质变化。选择了两个与LANL和工业相关的模型系统来进行深入分析，并设计了成套的加速老化实验。开发并运用了不同的实验方法来表征材料的相关力学性质和材料的化学和结构变化（不同尺寸）。设计出了理论处理和模型模拟来解释上述现象，并将其综合到全面的系统模型中。     

利弗莫尔的核武器材料老化研究

本文介绍了美国利弗莫尔国家实验室对老化的核武器材料的研究情况。     

计算机模拟固体推进剂贮存老化的研究进展

分析了微观和介观层面常用计算机模拟方法的特点及局限性,重点介绍了这些方法在构建固体推进剂微结构、判断组分相容性、研究交联降解机理及界面相行为等方面的应用,并展望了计算机模拟方法在固体推进剂老化研究中的发展前景,认为贯穿微观、介观和宏观的多尺度模拟研究将是今后老化研究的重点。     

材料老化对火工品性能影响研究

为了掌握某火工品材料老化对其性能的影响,采用高温加速老化试验,对其电极电阻及PETN炸药粉末比表面积在老化过程的变化情况进行了测试分析,并通过该火工品单发作用时间测试,研究了电极及PETN粉末老化对其性能的影响。结果表明:在高温加速老化过程中,该火工品电极电阻无显著性变化,其装配成的火工品单发作用时间也无明显变化,但其PETN炸药粉末比表面积随老化时间延长出现了明显下降,采用经不同时间老化后的PETN装配火工品,测得单发作用时间随比表面积减小而延长。     

加速老化对炸药件安全性的影响研究

为了解老化对PBX-6炸药件安全性的影响,分别开展了温度75℃、100 d和65℃、180 d的加速老化试验.对加速老化前后的炸药件,进行了热爆炸试验、火烧试验和跌落试验,对比分析了试验数据,结果表明,老化炸药柱的热爆炸延滞期缩短,热安全性降低;老化炸药件的烤燃时间缩短,烤燃温度降低,爆燃后对炸药外壳的破坏程度更大,热...     

晶界对双晶镁裂纹扩展影响的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法对纳米双晶镁裂纹扩展的微观机制进行研究和分析,用EAM势描述镁原子之间的相互作用。结果表明:在拉伸载荷下,随着旋转界面角的增大,晶界由离散点状变为线状且晶界能量变大;裂纹扩展从裂纹尖端开始,经历"锐化-钝化-锐化"的循环变化过程;在界面角较大时,由于晶界的存在使其对裂纹扩展起到阻碍作用,裂纹扩展速率减小。因此,从理论上讲可通过将晶粒旋转合适的角度来提高有裂纹缺陷的双晶镁材料的韧性。     

壳体性质对爆炸成形弹丸性能的影响

利用LS—DYNA有限元程序对带壳EFP结构的成形过程进行数值模拟．研究了壳体的材料以及厚度对EFP性能的影响规律。研究表明，壳体材料的密度和厚度的增加将有利于提高EFP的速度和密实度；对于某一特定的EFP装药结构。可确定一个壳体临界厚度，使形成的弹丸长度达到最大。研究结果可应用于EFP战斗部结构优化设计。     

HTPB推进剂老化机理的分子模拟

为了研究HTPB推进剂的老化机理,采用量子化学方法,计算了端羟基聚丁二烯-甲苯二异氰酸酯(HTPB-TDI)固化体系中化学键的键能,搜索了HTPB推进剂老化过程中可能发生的四个氧化反应的过渡态。结果表明,与CH2基团相连的C—O键的键能最小,为244.95 kJ·mol-1,在老化降解过程最容易发生断裂。老化过程中可能发生的四种氧化交联反应的活化能均较小,小于HTPB-TDI固化分子降解断裂所需要的能量,说明氧化交联反应是HTPB推进剂老化的主要原因,其中生成三元环氧反应的活化能最小,为12.59 kJ·mol-1。     

氦内积和钚老化的基础研究与应用研究

这是洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个两年期实验室管理研究与开发计划的最终报告。这个计划的目的就是要开发新的能力,评估老化钚金属中氦的成核过程和与氦有关的缺陷在金属中的增长。这项工作既涉及基础模型,又涉及应用模型,这两种模型都有助于预测金属晶格中氦的输运问题和动力学问题,并有助于计算镓在fcc钚晶格中的布局及其相 应。这项工作的目标就是建立实验能力,这些能力对于预测金属中的氦效应,如电子输的显微测量、热氦逸出等,以及激光驱动微型飞片的开发都非常重要,这样,有助于认识理解金属中氦及其缺陷对钚替代材料冲击响应的影响。     

DNTF与高聚物相容性的分子动力学模拟

为确定高分子聚合物钝感剂和3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱 （DNTF）的相容性,采用分子动力学（MD）模拟方法,分别构建了DNTF与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、氟橡胶（F₂₆₀₃）、顺丁橡胶（BR）和聚偏二氟乙烯（PVDF）混合的熔铸炸药模型,在COMPASS力场下,从径向分布函数、溶度参数和Flory-Huggins相互作用参数3方面研究了DNTF与上述4种高分子聚合物钝感剂的相容性,揭示了共混物分子间相互作用力本质。采用真空安定性实验法对4种共混物体系的相容性进行了实验验证。结果表明：共混物中同组分的分子间径向分布函数值比两组分的分子间值低,体系溶度参数均小于3 J^1/2·cm^-3/2,体系的相互作用参数值小于临界作用参数值,体系放气量均小于0.6 mL,说明DNTF与PMMA、F₂₆₀₃、BR和PVDF均相容,且数值模拟结果与实验结果相吻合。     

用抛射弹撞击法(Steven试验)研究PBX-2炸药加速老化前后反应能力

采用2kg弹丸对55℃加速老化180天和540天的PBX-2炸药进行了Steven试验,试验中采用锰铜压力计测试了样品中的压力变化过程,通过高速录像照片和压力曲线分析了炸药点火反应的延迟时间,通过冲击波超压传感器测量了炸药的反应超压。对加速老化前后炸药的试验结果进行了对比,试验结果初步表明加速老化前后的PBX-2炸药在Steven试验中发生反应的反应程度和受力过程并无明显变化。     

飞片材料经加速老化后对飞片速度的影响研究

为了掌握经长期贮存后的飞片材料在初始起爆条件下的飞片速度是否会发生显著性退化,采用光子多普勒测速仪对经71℃加速老化不同时间后的聚酰亚胺飞片材料形成飞片的速度迚行了测试。结果表明,针对不同时间加速老化后的聚酰亚胺飞片材料,在相同起爆条件下由其形成飞片的最大速度及飞片出炮筒时的速度均无显著性变化,且在一定炮筒厚度下,飞片出炮筒的速度没有达到最大值。     

低密度材料射流形成过程的数值模拟

为研究在炸药爆轰作用下低密度材料形成射流的过程,采用AUTODYN有限差分软件,对低密度材料尼龙和特氟龙药型罩的成型特性做对比,得出在相同的时间下,形成射流的长度尼龙大于特氟龙,但特氟龙药型罩形成的射流一致性较好;并与广泛使用的高密度铜药型罩的成型对比,对不同时刻射流的形态及速度进行分析,得出低密度材料形成的射流有能量低、稳定性好、射流长径比较大的性质,所以对爆炸反应装甲穿而不爆有显著优势。     

超高分子量聚乙烯材料软质防弹衣抗弹性能老化衰减规律研究

超高分子量聚乙烯材料目前被广泛用于软质防弹衣,但其老化过程中抗弹性能的衰减规律还不完全清楚,尚未建立定量预测公式。为分析实际使用环境和贮存条件对该类材料软质防弹衣抗弹性能的影响,通过对防弹衣材料进行不同时间的高温、高湿热及氙弧灯光照射等人工加速老化试验,进行弹道极限测试,得到各条件下的弹道极限速度数值,获得不同人工加速老化因素对防弹衣抗弹性能的影响规律。研究发现：高温、高湿热及氙弧灯光照射3种人工加速老化因素对防弹衣防弹性能影响可通过线性回归方程进行较为准确的预测,采用回归分析的方式获得高温、高湿热及氙弧灯光照射3种老化过程中进口和国产两种材料的弹道极限速度衰减经验公式,该公式可以用于估计与判断超高分子量聚乙烯材料软质防弹衣长期贮存情况下是否可以使用。     

HTPB 推进剂粘结体系的热氧老化及防护研究

针对海军战术导弹固体火箭发动机端羟基聚丁二烯(hydroxyl-terminated polybutadiene,HTPB)推进剂老 化问题,对HTPB 推进剂粘结体系的老化及防护进行探讨。对丁羟聚氨酯热氧老化机理及影响因素进行介绍,分别 从物理防护与防老剂的化学防护2 方面概述了HTPB 推进剂粘结体系的防护。从老化实验、仪器分析及分子模拟3 方面对老化及防护的研究方法进行了总结,并对分子模拟技术在HTPB 推进剂老化及防护研究的应用前景进行展望。 该研究对未来HTPB 推进剂的防老化及导弹贮存、使用性能的提高有一定指导意义。     

多功能含能结构材料研究进展

多功能含能结构材料是化学能和动能综合利用的用于提高战斗部毁伤效能的新型功能材料.本研究着重介绍了多功能含能结构材料及其应用的国内外研究现状.对多功能含能结构材料作用特性的实验测试方法、作用机理和理论模型进行了简要的评述;阐述了冲击诱发化学反应(shock induced chemical reactions,SICR)方法理论基础和数值仿真方法,并对多功能含能材料的应用现状和前景进行了展望,并给出了近期开展工作的建议.     

中性聚合物键合剂与奥克托今的界面作用

为研究中性聚合物键合剂（NPBA）与奥克托今（HMX）键合作用的实质,进行NPBA的分子设计,采用分子动力学模拟方法研究了NPBA与HMX的界面作用。在此基础上,用动态接触角测量仪和表面-界面张力仪测试NPBA与HMX的粘附功和界面张力,在硝酸酯增塑聚醚推进剂中考察了NPBA的应用效果。研究结果表明：3种NPBA与HMX界面分子间存在范德华力和氢键作用力;在NPBA分子上用—COOCH₂CH₂OH基团取代—COOCH₃基团,或增加—CN基团数量,整体上增强了NPBA与HMX晶体的界面作用力,提高了推进剂的强度。     

两种氟聚合物在TATB晶体表面吸附的动力学模拟

采用Discover／Material Studio中的分子动力学（COMPASS力场、NVT）方法及smart minimizer结构优化方法，对两种氟聚合物在TATB不同晶面上吸附行为进行模拟和结构优化后发现：（1）二者相互作用时，TATB原子位置变化的大小次序为：（010）〉（100）〉（001）；而氟聚合物的展开程度按以上次序增加。（2）TATB晶体对两种聚合物都是吸引的，可以用F2311及F2314来包覆TATB晶体；且F2314对TATB晶体的包覆效果要优于F2311。（3）TATB不同晶面吸附能力的大小次序为：（010）〉（001）〉（100）。     

PBX模拟材料动态力学响应及细观损伤模式

基于分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料进行高应变率(1763~2650 s-1)动态压缩实验,采用铅整形器得到正弦入射脉冲。聚偏氟乙烯(PVDF)压力传感器监测试件两端的应力状态,高速相机拍摄试件的变形和破坏过程,激光位移计测量试件的轴向应变,采用电子显微镜观测细观结构形貌和损伤模式。结果表明,PBX模拟材料具有应变率相关性;结合界面脱粘和晶体断裂理论,认为晶粒与粘结剂的分离,晶粒脆性断裂是该PBX模拟材料的主要细观损伤模式。     

VESF材料与结构参数对JPC成型影响的数值模拟

采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D数值仿真分析了VESF对聚能杆式射流(JPC)成型的影响,获得了不同VESF材料、形状(K字形,矩形,三角形)及其与主装药间距下侵彻体成型的仿真结果。结果表明,随着VESF材料密度的增加及其与主装药间距的增大,主装药起爆点由中心逐渐向外过渡;不同横断面形状的VESF也可形成不同的起爆方式,K字形与矩形时为点起爆,三角形时为面起爆。在本研究条件下,VESF材料为钢,横断面为K字型与主装药距离为6 mm的,JPC成型效果最佳。