摘要:

摘要:能量与安全性是含能材料最重要的两个性能, 但人们通常认为它们二者之间存在不可避免的本质矛盾, 即能量-安全性间的矛盾(E& S矛盾):能量越高, 安全性越差。本文结合一些反例, 对其进行了探讨, 发现这一矛盾并非时时存在: E& S矛盾在分子水平上表现得最为突出, 显示出其本质性; 在晶体和混合物水平上, E& S矛盾可以极大程度地缓和。由于含能材料的能量与安全性分别主要决定于其分解的热力学与动力学, 因此, E& S矛盾主要是含能材料分解的热力学与动力学间的矛盾。就此, 提出了发展低感高能炸药的策略, 即可通过提高含能分子的化学储能及分子堆积系数来提高能量; 而通过晶体工程和复合技术分别来改善分子堆积结构和界面结构, 以降低外界刺激能量转化为引发含能材料最终分解能量的效率, 从而降低感度。

摘要:“热点”理论在含能材料研究中已获得广泛认可, 它对于理解起爆机理和感度具有重要意义。计算机模拟和数值模型在科学机理研究中具有显著优势, 近年来被广泛用于研究热点机理。本文综述了热点理论在计算机模拟和数值模型上的研究进展。根据热点问题的多尺度特性, 在介观尺度上分析了异化有限元和流体力学代码对微米级缺陷和摩擦形成热点机制的研究进展, 在微观尺度上分析了分子动力学模拟和从头算方法对纳米级缺陷形成热点机制及热点化学反应问题的研究进展, 提出了目前热点理论模拟面临的挑战, 认为完善分子动力学力场和复合材料本构方程, 研究热点演化中的热-力-化学耦合机制将是今后热点理论的研究方向。

摘要: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。

摘要:概述了量子化学基础理论, 详细综述了含能材料关键参数(密度、生成热、爆热、爆速、爆压和撞击感度)的计算方法, 并比较这些方法的特点和适用范围。介绍了CHEETA、EXPLO5等计算软件在含能材料领域的应用。最后, 为满足新一代材料高能稳定与绿色环保的综合要求, 设计了20种新型高氮含能分子, 运用上述量子化学方法估算了其物化和含能性质, 并提出了新型含能化合物的设计原则: (1)高氮分子骨架; (2)零氧平衡; (3)基团调节修饰, 以期促进含能材料的发展。附参考文献76篇。

摘要:采用色散校正密度泛函(DFT-D)方法模拟了1, 1′-二羟基-5, 5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)晶体在高压下的结构、力学性质及电子特性, 得到了TKX-50晶体的弹性常数、体弹模量以及高压下状态方程、能带带隙的演变。用Hirshfeld面及2D指纹图分析了高压下分子间的相互作用的变化规律。模拟的结构与文献报道的实验数据一致。晶格的压缩性存在较大的各向异性, b轴最容易被压缩, 三个轴向的可压缩性大小顺序为b＞c＞a。通过弹性常数计算获得了其常压下的硬度常数大小顺序为C₃₃(61.9 GPa)＞C₁₁(58.1 GPa)＞C₂₂(36.9 GPa)。TKX-50的带隙在零压下是直接带隙, 在50 GPa及更高压力下为间接带隙, 带隙随着压力增加而减小, 预示TKX-50可能在压力下撞击感度增大。

摘要:从RDX炸药分子结构出发, 运用电子结构理论、分子间微扰理论等第一性原理获得了α-RDX炸药全原子自洽力场(self-consistent force field, SCFF)。基于SCFF, 进一步发展出自洽力场—声子(SCFF-phonon)非谐自由能计算方法。该方法能较好考虑固体炸药的声子非谐效应以及核的量子效应。通过非谐自由能计算方法, 获得了常压到55 GPa范围内等熵加载线及其热力学性质。等熵加载线的p(GPa)-V(cm³/mol)和T(K)~V(cm³/mol)数学关系分别为: p=66.59633+4.52375 exp(-V/0.68117)+16.56087exp(-V/4.31486)+35.94539exp(-V/32.26906)和lnT=5.06548+0.74774lnV-0.13886 (lnV)²。自洽力场方法和SCFF-phonon计算方法可为炸药状态方程构建及热力学等物性数据计算提供行之有效的理论工具。

摘要:运用从头算动力学方法研究一种高密度笼状化合物(CL-20)在极限条件下的分解机理。结果显示在不同的条件下, CL-20的起爆机理和分解过程都不相同, 这表明CL-20对高温高压都很敏感。对比相应条件下主要产物的数量发现高压会抑制分解反应的进程。但是, 在高压耦合高温时会生成R-C_xO_y(x>2, y>5)中间体又意味着高压使分解反应更加复杂。在R-C_xO_y (x>2, y>5)中间体中, 化合物C₃O₆已经被证实是一种高能密度化合物。

摘要:采用耗散粒子动力学(DPD)模拟技术研究了纳米颗粒形状、尺寸、含量以及颗粒级配等因素对悬浮液体系粘度的影响。模拟结果显示, 在纳米颗粒低含量情况下, 纳米颗粒形状的影响基本可以忽略。随着纳米颗粒含量增加, 悬浮液粘度也会随之上升; 对于相同含量的纳米颗粒而言, 尺寸越小, 悬浮液粘度越大; 添加纳米颗粒的行为不会改变基液粘度与温度之间的依赖关系; 含量相同情况下, 两种不同尺寸的纳米颗粒进行颗粒级配可以有效调整体系粘度。通过引入纳米颗粒溶剂化效应修正了传统的爱因斯坦粘度公式, 将颗粒尺寸与含量的影响归于一个模型之中。该模型的修正使爱因斯坦粘度公式可以有效预测从纳米尺度到微米尺度的悬浮液粘度。

摘要:为研究新型富氮含能化合物5, 5′-联四唑-1, 1′-二氧二羟铵(TKX-50)高能钝感背后的微观机制, 采用从头算分子动力学方法模拟了TKX-50在不同压力及温度下的分解过程, 通过分析主要产物N₂的生成路径, 揭示了TKX-50热分解随温度与压力变化的规律。模拟显示TKX-50分解的主要产物为H₂O和N₂。其中N₂存在三条主要的生成路径, 两条来源于唑环环裂过程, 另一条与铵盐和唑环的相互作用相关联。唑环环裂直接生成N₂的过程受温度影响较大, 温度越高, 断裂速度越快, 对压力不敏感。铵盐与唑环相互作用生成N₂的过程则依赖于扩散, 扩散速率与温度呈正相关, 与压力呈负相关。三条反应路径的共同作用使得TKX-50的反应速率宏观上呈现随温度升高而升高, 随压力升高而下降的趋势。

摘要:为了更好地理解炸药的非冲击起爆和非理想爆轰, 采用在共轭聚合物骨架上引入含能基团—NO₂、—N₃和—ONO₂的方法设计了几种新的含能共轭聚合物。通过比较Bicerano热导率计算模型和Askadskii热导率基团贡献法, 选择了相对偏差较小的Askadskii热导率基团贡献法对新设计的含能共轭聚合物的热导率进行了计算。结果表明, 新设计的共轭含能聚合物具有比非共轭含能聚合物具有更高的热导率, 有的可以达到1.0 W·mK^-1以上。含能共轭聚合物热导率高于非共轭聚合物的原因可能是在双键和单键交替连接产生的共轭体系中, 会产生晶格振动导热和电子导热的耦合, 使得整个含能共轭聚合物的传导热能力增强; 通过对比新设计的含能共轭聚合物的热导率发现, 当含能共轭聚合物单体所占体积更大时, 含能共轭聚合物具有更高的热导率。

摘要:为研究奥克托今(HMX)单晶的固态相变对变形的影响, 在考虑非线弹性和位错理论的晶体塑性本构基础上, 发展了考虑温度相关相变的晶体塑性本构(β→δ相变)。利用有限元计算程序ABAQUS和子程序的软件代码VUMAT, 模拟了相变在烤燃下的演变过程。结果表明, 相变是可逆的, 但是路径却不同。当晶体从δ相变为β相时, 样品中有残余应力和应变产生。此外, 当发生β→δ相变时, 会有裂纹产生, 并且裂纹不会消失。温度均匀化有利于发生相变, 且相变的传播与温度的传播一致。β→δ相变会导致体积的膨胀, 且由于δ相的热膨胀系数比β相大, 相变后体积膨胀会更快, 因此会导致内应力的快速增大, 从而启动滑移系。由于HMX单晶的各向异性热膨胀, 相变后晶体在第三主方向上更容易生成裂纹, 从而容易形成热点, 因此β→δ相变会导致HMX晶体在烤燃下更加敏感。

摘要:基于多介质可压缩流体方程和炸药反应速率方程构建了三维凝聚相炸药爆轰的物理模型, 建立了适用于多相爆轰混合反应区计算的热力学平衡迭代方法并开发了高效稳定的爆轰并行模拟软件, 基于对比试验验证了物理模型、数值方法和软件模块的正确性。通过数值模拟不同拐角的爆轰过程, 重点研究了凝聚相炸药拐角爆轰的波阵面结构、流场与化学反应的相互耦合和拐角处的二次起爆机理。结果表明, PBX9404炸药135°拐角比90°拐角衍射范围更大, 波阵面结构受到当地流场波速的影响; 爆轰波绕过拐角后由于流场涡流作用导致化学反应与前导激波解耦, 形成临时“死区”, 随着拐角增大, 拐角死区范围扩大; 死区二次起爆的关键是混合反应区回爆波的作用时间大于拐角区域起爆的临界诱导时间。

摘要:为探究浇注型高聚物粘结炸药(PBX)装药在弹体侵彻过程中的力学响应和损伤分布情况, 将孔隙压塌损伤、炸药晶体破碎损伤和粘结剂脱粘三种损伤形式的演化规律引入粘弹性本构模型, 拟合了浇注型PBX在不同温度下的低应变率至中高应变率的力学响应, 利用动力有限元数值软件模拟了含装药弹体侵彻混凝土靶板中炸药的力学损伤响应, 分析了炸药应力波的传播、压力分布和三种损伤分布及演化。结果表明, 加载初期炸药装药的头部承受较大的压缩应力, 当应力波传播至尾部反射回拉伸波时, 由于弹体的惯性作用, 装药尾部和壳体内表面发生撞击, 迅速形成高压区, 压力高至0.25 GPa, 因此装药头部和尾部损伤较为严重, 应作为重点防护区域。

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