含能材料感度判别理论研究——从分子、晶体到复合材料

近30多年来,通过量子化学计算和分子动力学模拟,国内外已提出过许多关于含能材料撞击感度的微观理论判据。本文主要介绍我们研究小组从高能分子、高能晶体到高能复合材料的热解机理和感度判别的相关工作,其中关于高能晶体和复合材料的感度判别的一些结果和判据是首次报道。     

更正

1《含能材料》2021年29卷第3期论文《含能材料感度评估的空间位阻指数算法和程序设计》(182页)摘要与引言中的奥克托今(RDX)应为黑索今(RDX)。2《含能材料》2021年29卷第3期论文《炸药压制工艺参数对空心装药质量影响的仿真研究》(202页)基金项目“国家自然科学研究基金资助(XJJ201806)”应为“中北大学自然科学研究基金资助(XJJ201806)”;书眉中的“刘恒”应为“刘恒著”;图6c的图题“relative density change curve at the female mold”中的“mold”应为“mould”。     

基于分子基团预测硝基含能材料撞击感度

为便捷预测CaHbNcOd类硝基含能材料撞击感度,选取10类撞击感度影响基团与各原子作为分子结构描述符,对103个硝基含能材料撞击感度对数值(lnh 50)进行多元线性回归(MLR),建立预测模型,并进行检验和比对。同时,采用该模型分析了原子及基团对撞击感度的影响,并对熔铸载体进行了预测。结果表明：单位质量氧比碳、氢、氮原子含量对撞击感度的影响大,硝基(-NO 2)、α-CH使h 50降低,氨基(-NH 2)具有钝感效果。预测新型熔铸载体TNP的撞击感度与TNAZ相当,DNP、DNMT更有潜力作为新型熔铸载体。     

亚稳态分子间复合物Al-MoO3的制备与性能研究

以纳米铝粉和纳米氧化钼为原料,采用超声分散混合的方法,制备了纳米复合含能材料Al-MoO3.利用扫描电镜(SEM)和红外光谱对原料和产物的结构进行了初步分析表征;进行了Al-MoO3撞击感度、火焰感度以及燃烧热性能试验.结果表明,该含能材料具有一定的撞击、火焰感度,是一种具有高的能量密度的纳米含能材料.     

物性对含能材料撞击起爆感度的影响

为了研究物性对含能材料撞击起爆感度的影响,利用WL-1型落锤仪对含能材料AP、HMX、RDX进行撞击感度测试,采用扫描电镜（ SEM）对落锤撞击前后的样品细观形貌进行观测。结果表明：AP塑性强,HMX、RDX脆性强,同等条件下,AP比HMX、RDX容易爆发;AP的撞击感度随着粒度的增大而减小,HMX、RDX的撞击感度随着粒度的增大而增大。可见,选取大粒度AP,小粒度HMX、RDX可有效降低撞击感度。     

含能材料防护屏在球形弹丸超高速撞击下的穿孔特性研究

以空间碎片防护设计为工程应用背景,将亚稳态含能材料应用于空间碎片防护结构。利用二级轻气炮对聚四氟乙烯/铝（PTFE/Al）含能材料防护结构进行了不同面密度、不同弹丸直径、不同速度的超高速撞击实验,获得了撞击过程中的高速摄像图片及光学高温计信号。分析结果表明,含能材料防护屏超高速撞击瞬间发生了可靠的冲击起爆反应,根据反应度的不同可分为冲击爆轰区、破碎爆燃区、零反应破碎区3个区域。基于实验结果,建立了铝合金弹丸超高速撞击PTFE/Al含能材料防护屏穿孔直径的无量纲经验公式。利用实验与分析结果验证了数值模拟的有效性,获得了环境温度对PTFE/Al含能材料防护屏超高速撞击穿孔特性的影响规律。     

含能晶体危化品降感研究进展

为提高含能晶体危化品的安全性,简述了含能晶体危化品高感度的原因及危害,综述了提高晶体品质、制备共晶、添加钝感剂及钝感包覆等降感实验方法的研究现状,以及理论计算方法应用于含能晶体危化品降感研究的发展现状。基于此,认为影响含能晶体危化品感度的本质原因是分子间相互作用;通过实验方法进行降感研究成本高、周期长、危险性大且表征手段具有局限性;通过量子化学计算和分子动力学模拟等手段,从微观层面上建立分子间相互作用、晶体结构及感度之间的关系,指导设计新型低感度含能晶体,将是发展所趋。     

溶胶-凝胶法制备RDX/SiO2纳米复合含能材料

利用溶胶-凝胶法制备RDX纳米复合含能材料的干凝胶及气凝胶。采用透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)对其形貌和晶体结构进行表征,测试了其热分解性能和撞击感度。结果表明,RDX含量为45%的RDX/SiO2纳米复合含能材料气凝胶的DSC分解峰温提前了15.4℃。SiO2凝胶基体可以降低RDX的撞击感度,并且随SiO2基体含量的增大降低幅度增大。     

典型笼状含能材料晶体早期冲击反应的从头算分子动力学模拟

笼状骨架赋予含能分子额外的应变能和结构稳定性,有望优化含能材料高能量密度和低感度之间的问题。但笼状含能晶体在冲击波刺激下的化学反应机理尚不清晰,亟需从笼状骨架调控、单分子分解、晶体集体响应3个层次开展系统研究。为此,研究以具有平面分子结构的三氨基三硝基苯(TATB)作为参考体系,对比了具有笼状结构的八硝基立方烷(ONC)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)和4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧杂-4,10-二氮杂四环十二烷(TEX)体系,开展了ONC、CL-20、TEX晶体结构在8～11 km·s^-1冲击波作用下的演化并进行了从头算分子动力学模拟。模拟结果表明,含能晶体的冲击感度排序为ONC>CL-20>TEX>TATB,通过与冲击波/撞击感度的文献试验数据对比进行了验证。反应机理表明：(i)异伍兹烷骨架中的富电子氧/氮促进了离域效应,适中的空间自由度赋予其弹性变形能力,加强了笼状骨架的结构稳定性,延缓了冲击反应进程;(ii)基于异伍兹烷的笼状分子分解时,硝基的脱落先于笼状分子的坍塌发生,游离的硝基与其他中间产物的排斥作用阻碍了分子间的团聚,...     

铝粉对高氯酸盐基电控固体推进剂感度的影响

为了探究含Al的高氯酸盐基电控固体推进剂(ECSP)的感度特性,采用浇注工艺制备了金属与非金属系高氯酸基ECSP,并依据国军标方法考察了Al含量(0%,5%,10%,15%,20%)及粒径(0.05,5,25,65,105μm)对高氯酸盐基ECSP的撞击感度、摩擦感度、静电火花感度及火焰感度的影响。结果表明:高氯酸盐基ECSP的撞击感度随Al含量的增加而增大,随Al粒径的增大而减小;金属与非金属系高氯酸盐基ECSP的摩擦感度均较低,Al含量及粒径变化对其摩擦感度有一定的影响,但影响较小;高氯酸盐基ECSP的火焰感度随Al粒径的增加而降低;在10 kV电压下Al含量及粒径的变化均未导致高氯酸盐基ECSP出现明显的发火现象;含纳米级Al高氯酸盐基ECSP的撞击感度(H_(50)=33.9 cm)高于含微米级Al高氯酸盐基ECSP(H_(50)≥56.2 cm)。     

含能材料分子结构与感度的相关性

综述了国外近年来含能材料分子结构参数与感度相关关系的最新研究成果。研究表明：某些芳香族硝基化合物的撞击感度与Ｃ－ＮＯ２键强度有关；硝胺及脂肪族硝基化合物的冲击波感度与分子中Ｎ－ＮＯ２键的数目，长度和分子量相关。     

新型亚稳态合金材料冲击释能特性

为研究新型ZrNiAlCuAg亚稳态合金材料的冲击释能特性,采用准密封箱试验系统对含能破片进行了冲击超压试验,研究了材料在不同冲击速度下的超压时程曲线变化规律、超压峰值和超压峰值增长率。对比了新型ZrNiAlCuAg亚稳态合金材料与多种多功能含能结构材料的单位质量能量密度和单位体积能量密度。结果表明材料超压时程曲线呈先急速上升后缓慢下降的特点,其超压峰值、超压峰值增长率均与冲击速度正相关;当冲击速度大于1400 m·s~(-1)时,其反应效率接近40%。低速冲击时,材料的能量密度与其它含能破片相近,冲击速度达到1100 m·s~(-1)时,其能量密度快速上升,并超越其它种类含能破片,当冲击速度为1485 m·s~(-1)时,新型ZrNiAlCuAg亚稳态合金材料的单位质量能量密度达到3.83 kJ·g~(-1),单位体积能量密度达到0.026 kJ·mm~(-3)。     

固体炸药起爆的经典分子动力学研究进展

现代高性能计算机上所进行的包含几百万个原子的分子动力学模拟，能够在原子尺度提供对于含能材料中爆轰过程的直观理解，本文综述应用经典分子动力学方法研究固体炸药冲击起爆问题的历史及现状。首先简要回顾分子动力学方法的发展；然后重点介绍应用这一方法研究固体炸药起爆问题的三个主要方面——固体炸药的冲击起爆机理、爆轰波的性质与能量转换机制、固体炸药的势函数；最后对固体炸药冲击起爆的分子动力学研究所面临的问题及其发展趋势进行了探讨：由于过于理想化的含能材料模型以及计算能力不足这两方面的限制，在可预见的未来，固体炸药起爆的经典分子动力学研究主要保持在建立模型以及定性研究的阶段。     

冲击作用下CL-20/HMX共晶力-热-化学耦合响应的动力学模拟

为分析CL-20/HMX共晶和HMX冲击波感度接近的机理,采用反应分子动力学方法(ReaxFF-MD),探讨了有无缺陷CL-20/HMX共晶在冲击加载下的力-热结构变化和初始化学反应,通过动量镜原理与最大压缩点吸收波阵面相结合方式,分析了快速结构响应和随后缓慢化学反应过程。结果表明,冲击加载无缺陷CL-20、HMX和CL-20/HMX共晶时,CL-20的分解速度比HMX快,CL-20/HMX共晶的分解速度与HMX接近;与沿CL-20/HMX共晶[111]晶向加载相比,沿[100]晶向分解更快,这与CL-20和HMX分子层的交替排布及滑移等因素有关。以2 km·s-1的质点速度沿[100]晶向冲击加载含Φ20 nm孔洞的CL-20/HMX共晶时,孔洞周围结构没有产生射流现象,而是粘塑性收缩过程。孔洞塌缩形成的高温高压条件和结构上的粘塑性变形有效促使CL-20和HMX分子发生快速分解,孔洞塌缩新热点的形成进一步增强了冲击加载过程。     

共晶和共混对CL-20/DNB感度和热解机理影响的MD模拟

为了从分子水平进一步揭示共晶和共混对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/1,3-二硝基苯(DNB)含能材料的感度、力学性能和热解机理的影响,采用分子动力学(MD)模拟方法在COMPASS力场条件下对CL-20、DNB、两者的共混物及共晶的感度、结合能和力学性能进行了模拟计算。在Reax FF/lg力场条件下对其热解机理进行了研究。结果表明,共晶和共混均会降低体系的感度,但共晶效果更加明显;与共混物结构相比,共晶结构更加稳定,共晶和共混均可以改变复合体系的力学性能,降低体系的刚度,增加体系的柔性和安全性,但共混会使体系的力学性能劣化。共晶分子间强的作用会促进体系中各组分的热解反应,NO_2、N_2、NO、H_2O、HONO、HON以及CO_2等是共晶和共混体系的主要热解产物。与共混相比,共晶是一种更加有效的含能材料改性方法,可为含能材料的配方设计提供理论指导。     

高性能炸药3,6-双-（3,5-二硝基-1,2,4-三唑基）-1,2,4,5-四嗪的理论估算概述（英）

1 IntroductionThe determination of detonation performance,sensi-tivity and thermochemical properties of a new energeticcompound prior of its actual synthesis is appreciated toexplosive user because they can help to reduce the costsassociated with its synthesis,test and evaluation as wellas to eliminate poor candidate.Some properties such ascrystal density,heat of formation,detonation pressure,detonation velocity and sensitivity would permit the selec-tion of only the most promising substances …     

含能材料的相变研究进展

回顾了通常含能材料相变的相关研究方法,介绍了常用的热分析、超高压和冲击加载的实验技术以及多种第一性原理和分子动力学理论模拟研究方法及其适用范围,归纳了硝胺类、硝基类、硝酸酯类、唑类与呋咱类以及笼型的常见含能材料在高温高压下的多种相结构,总结了上述含能材料(包括部分混合炸药)在不同相中的分子构型和晶体结构和部分材料在静态与冲击加载条件下的相变特征和相应的相分布,综述了对热门含能材料进行的高精度理论模拟研究所揭示的相变机制。发现部分有复杂相变机制的含能材料的相变点研究结果不一致,一些报道给出的太安炸药(PETN)的部分相的晶体结构和分子结构不一致。大量相变的深层次理论机理揭示不足,其中混合炸药相变的微观机理鲜有涉及。     

局部高温诱发CL-20/TNT共晶炸药内反应流传播的ReaxFF分子动力学模拟

为了更好地理解含能材料热点火以及热点成长现象和机理,采用基于第一性原理的Reax FF反应力场分子动力学方法模拟了CL-20/TNT共晶炸药内反应流传播的时空行为和初始化学反应过程。通过NVT系统和Berendsen温度耦合方法对含能材料两端连续快速加热并维持在高温条件激发反应流的产生和传播,并采用两种不同的热载荷(3000,4000 K)比较温度差异对初始热分解速率的影响。两端热载荷为4000 K时,热冲击传播过程中粒子瞬时平动速率可达0.5 km·s~(-1),高于3000 K时的情况。于此同时,两端高温将引发含能材料逐渐发生分解反应,同温度条件下,共晶中CL-20的分解速率高于TNT。另外,热载荷温度越高,共晶完全分解所需的时间越少。产物识别分析显示,CL-20/TNT共晶热分解的主要产物为NO_2,NO,H_2O,N_2,CO,CO_2,HONO,H_2O_2,CHON,H_2N,CH_2O,其中,NO_2是初始热分解产物,而最终产物为N_2,CO_2和H_2O。     

基于编码基因的多弹头落点激波定位

针对目前子母弹多弹头没有利用激波进行落点定位的空白,提出采用激波传感器组成测量阵列,对多个超音速弹头产生的激波信号进行采集处理,通过各传感器信号响应时间延迟估算得到每个超音速弹头的运动轨迹及落点坐标。对于辨识不同弹头激波信号到达传感器阵列的次序,引入编码基因及敏感系数概念,用敏感系数判断搜索出优良基因,根据激波到达阵列的信号无重叠这一假设,找出真实基因,得到最终弹头的落点坐标。仿真结果表明:该方法对子母弹多弹头的落点定位是可行的。