空位缺陷对TKX-50感度、力学性能及爆轰性能影响的分子动力学模拟

郭志炜; 郝嘎子; 胡玉冰; 冯晓军; 杨俊清; 姜炜; GUO Zhi-wei; Hao Ga-zi; Hu Yu-bing; Feng Xiao-jun; Yang Jun-qing; Jiang Wei

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空位缺陷对TKX‑50感度、力学性能及爆轰性能影响的分子动力学模拟 PDF

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杨俊清 ^1,2
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1. 南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心, 江苏南京 210094； 2. 南京理工大学机械学院, 江苏南京 210094； 3. 西安近代化学研究所,陕西西安710065

中图分类号： TJ55； O64

最近更新：2023-03-22

DOI：10.11943/CJEM2022274

摘要

采用分子动力学方法探究了一系列空位缺陷浓度（0%，1.56%，6.25%和12.5%）对1，1'‑二羟基‑5，5'‑联四唑二羟胺盐（TKX‑50）感度、力学性能和爆轰性能的影响。首先建立TKX‑50完美晶体模型和空位缺陷模型，并验证研究所采用的Dreiding力场的正确性和有效性。然后对模型进行几何优化和分子动力学模拟，研究发现，空位缺陷导致TKX‑50的内聚能密度减小、总氢键数目减少，表明含空位缺陷的TKX‑50感度增加，安全性降低；并且随着空位缺陷的增多，羟胺阳离子间的氢键数目几乎不变，联四唑阴离子上以氧原子为氢键受体的氢键数目与其他氢键相比明显减少。另外，空位缺陷使得TKX‑50的体积模量（K）、拉伸模量（E）和剪切模量（G）分别降低了1.530~4.122 GPa、3.066~10.652 GPa、1.216~4.202 GPa，表明随空位缺陷浓度的增加，TKX‑50晶体的刚度下降。所有模型的柯西压（C₁₂‑C₄₄）为正，表明所有模型均表现出延展性，且K/G值与泊松比（γ）随空位缺陷浓度的增加而增加，表明空位缺陷的增多使得TKX‑50的韧性和塑性都得到增强。此外，空位缺陷还使得TKX‑50的爆速和爆压分别降低了93~317 m∙s^-1和1.0~3.5 GPa，表明缺陷晶体的毁伤威力降低。

图文摘要

A perfect crystal model （Model 1 with defect concentration of 0%） and a series of vacancy defect models （Models 2‑4 with defect concentration of 1.56%， 6.25% and 12.5%， respectively） of TKX‑50 were established， and the effects of vacancy defects on the sensitivity， mechanical properties， and detonation properties of TKX‑50 were researched. The cohesion energy density， hydrogen bond number， radial distribution function， mechanical properties， and detonation parameters of different models were got and compared.

关键词

1，1'‑二羟基‑5，5'‑联四唑二羟胺盐（TKX‑50）; 空位缺陷; 分子动力学; 感度; 力学性能; 爆轰性能

0 引言

含能材料在整个生命周期中，需要通过许多严格的标准来评估其各项性能^［

1］，包括安全性、爆轰性能、力学性能、相容性等。其中，安全性和爆轰性能是重中之重。然而，在各种制备、加工和储存条件下，含能材料可能会产生多种类型的缺陷，例如：空位^{［参考文献 2-3}2-3］、掺杂^{［参考文献 4-5}4-5］、位错^{［参考文献 6

百度学术}6］、空洞^{［参考文献 7‑9}7‑9］等。其中空位缺陷是在晶格结点上粒子（原子、分子、离子）的空缺，广泛存在于各类含能晶体材料中^{［参考文献 10

百度学术}10］。伴随缺陷的产生，含能材料的各项性能均会发生变化，特别是对感度有重大影响^{［参考文献 7

百度学术}7， 11］：一方面，晶体缺陷通常会提高含能材料的感度，降低安全性；另一方面，缺陷引起感度的提高使得人们可以通过调控缺陷来控制炸药的点火能力。因此，研究缺陷对炸药性能的影响具有很大的必要性，利用这一点可促进和改善缺陷含能材料的应用^{［参考文献 11

百度学术}11］。

1，1'‑二羟基‑5，5'‑联四唑二羟胺盐（TKX‑50）是2012年由德国慕尼黑大学的Klapötke等^［

12］在联四唑环上引入氧原子合成的新型高能量密度化合物。TKX‑50是一种新型且非常有前途的炸药^{［参考文献 13

百度学术}13］，其撞击感度和摩擦感度均低于环三亚甲基三硝铵（RDX）、环四亚甲基四硝胺（HMX）、六硝基六氮杂异伍兹烷（CL‑20），并且在298 K下，其理论最大密度达1.887 g∙cm^-3，爆速为9642 m∙s^-1，爆压为37.0 GPa^{［参考文献 14

百度学术}14］。近年来，对TKX‑50的理论研究主要集中于其完美晶体的性能，如TKX‑50热分解机理^{［参考文献 15

百度学术}15］、TKX‑50高压下结构稳定性^{［参考文献 16

百度学术}16］等，然而缺陷对TKX‑50各项性能的影响尚未见详细报道，亟待研究。为此，研究主要针对空位缺陷对TKX‑50性能的影响开展分子动力学模拟研究，以期为TKX‑50缺陷晶体的应用提供理论指导和数据支撑。

为探讨空位缺陷对TKX‑50性能影响，本研究构建了TKX‑50完美晶体模型和一系列空位缺陷模型（缺陷浓度0%，1.56%，6.25%和12.5%），确定适用于TKX‑50模拟的力场，采用分子动力学方法探究了缺陷对TKX‑50各项性能的影响，其中通过研究内聚能密度、氢键数目和径向分布函数的变化分析空位缺陷对TKX‑50感度的影响，并研究了空位缺陷对TKX‑50力学性能和爆轰性能的影响，为缺陷TKX‑50的实际应用提供理论指导。

1 计算模型和方法

1.1 模型建立

从CCDC数据库中获得TKX‑50的晶体结构，如图1a和1b所示。TKX‑50晶体属于P2₁/c空间群，晶格参数为a=5.44 Å，b=11.75 Å，c=6.56 Å，α=γ=90°，β=95.071°，密度为1.877 g·cm^-3。TKX‑50晶胞由2个联四唑阴离子（C₂O₂N₈）^2‑和4个羟铵阳离子（NH₃OH）⁺组成，共含有48个原子，呈V形的平面联四唑阴离子^［

17］和两个羟铵阳离子通过强氢键键合一起^{［参考文献 16

百度学术}16］。

图1 TKX‑50在298 K下的晶体结构。（a）和（b）分别为（001）和（100）平面上的投影。（碳为灰色；氮为蓝色；氧为红色；氢这白色；晶胞单元由灰线表示）

Fig.1 The crystal structure of TKX‑50 at 298 K. （a） and （b） are projections on the （001） and （100） planes， respectively.（Carbon‑gray； nitrogen‑blue； oxygen‑red； hydrogen‑white. The cell unit is represented by a gray box）

空位缺陷模型常采用删除模型中分子的方式来构建^［

10， 18-19］。因此，本研究首先建立4×2×4的完美晶体模型（Model 1），并通过删除TKX‑50的分子结构单元（包含一个阴离子和两个阳离子）建立空位缺陷模型^{［参考文献 20

百度学术}20］。在完美晶体模型Model 1中分别删除1、2、4个TKX‑50结构单元，使得晶体空位缺陷浓度分别达到1.56%、6.25%和12.5%，并依次标记为Model 2、Model 3和Model 4。图2a和2b分别为Models 1~4在（100）和（001）平面上的投影。

图2 TKX‑50完美模型（Model 1）及空位缺陷模型（Models 2~4）。（a）为（100）平面上的投影，（b）为（001）平面上的投影。黄色部分是删除的TKX‑50结构单元。

Fig.2 The perfect model （Model 1） and vacancy defect models （Models 2-4） of TKX‑50. （a） the projection on the （100） plane， and （b） the projection on the （001） plane（The yellow section is the TKX‑50 structural unit that needs to be removed）

1.2 计算方法

采用分子动力学方法对建立的一系列含空位缺陷的TKX‑50晶体模型进行了研究，探究了空位缺陷对TKX‑50感度、力学性能和爆轰性能的影响。力场对于获得可靠的分子动力学模拟结果起着非常重要的作用。为验证力场的正确性和有效性，对比了不同力场（Dreiding、COMPASS和pcff）对TKX‑50晶胞结构的影响，将几何优化后晶体参数和密度与实验结果进行比较，结果见表1。表1显示，采用不同的力场进行几何优化后得到的晶体参数和密度有很大的区别，表明力场对TKX‑50的计算模拟结果有明显的影响。Dreiding力场得到的数据与实验数据更加一致，相对误差在‑3.97%~2.34%之间，表明Dreiding力场更适用于TKX‑50。此外，之前的研究^［

21-23］也成功地利用Dreiding力场计算了TKX‑50‑AP混合晶体的分子间相互作用、TKX‑50基聚合物粘结炸药的力学性能以及TKX‑50真空中的晶体形态。因此选择Dreiding力场进行分子动力学模拟，并用于预测和对比TKX‑50的完美晶体和空位缺陷晶体的性质。

表1 不同力场下TKX‑50优化后的晶体参数

Table 1 Optimized crystal parameters of TKX‑50 under different force fields

force field	a / Å		b / Å		c / Å		β / （°）		ρ / g∙cm^-3
Dreiding	5.57	（2.31%）	11.67	（-0.66%）	6.30	（-3.97%）	94.36	（-0.75%）	1.92	（2.34%）
COMPASS	4.88	（-10.32%）	10.98	（-6.58%）	7.42	（13.08%）	80.18	（-15.67%）	2.00	（6.70%）
pcff	3.95	（-27.34%）	14.62	（24.38%）	6.43	（-2.04%）	93.52	（-1.63%）	2.12	（12.71%）
experimental data^{［参考文献 12 百度学术}12］	5.44		11.75		6.56		95.07		1.88

Note： a， b， c and β are lattice parameters； ρ is the density. The data in brackets are relative errors to the experimental data.

为了准确预测不同晶体模型的特性，采用Forcite模块中的Dreiding力场对完美晶体模型Model 1和空位缺陷晶体模型Model 2、Model 3、Model 4进行优化，精度设置为Fine。然后在等温等压系综（NPT）下对优化后的晶胞模型进行分子动力学模拟，压力设置为0.0001 GPa，温度为298 K，采用Andersen 控温方法和Berendsen控压方法。范德华力和静电力分别通过基于Atom和Ewald求和方法计算。时间步长为1 fs，总模拟步数为2×10⁵步，其中前10⁵步用于热力学平衡计算，后10⁵步用于统计分析。模拟过程中，每10³fs保存一次轨迹，共得200帧轨迹文件。所有模拟均在Material Studio软件中进行。

2 结果与讨论

2.1 平衡判定

在提取计算结果时，需要让体系达到热力学平衡状态。通常认为当温度与能量波动范围为5%～10%时，体系已经达到平衡状态^［

24］。温度和能量随时间变化的曲线图如图3所示。从图3a可以看出各模型温度均维持在280~315 K范围内涨落，图3b，3c中各模型的势能和非键能也都在合理范围内波动，温度、势能和非键能的涨落范围均小于10%，表明各模型在NPT系综下已经达到热力学平衡。

a. temperature

b. potential energy

c. non‑bond energy change

图3 TKX‑50完美模型（Model 1）及空位缺陷模型（Models 2~4）的温度、势能和非键能随时间的变化曲线

Fig.3 Temperature， potential energy， and non‑bond energy change curves over time for the perfect model （Model 1） and vacancy defect models （Models 2-4） of TKX‑50

2.2 感度

2.2.1 内聚能密度

感度是炸药在外界作用下发生爆炸反应的难易程度^［

25］，内聚能密度能在一定程度上反映炸药的感度^{［参考文献 26-27}26-27］。内聚能密度（CED）是指单位体积内将所有分子分离到彼此无限远所需的平均能量。公式定义如下^{［参考文献 28

百度学术}28］：

C E D = \frac{E_{c o h}}{V} = \frac{- E_{i n t e r}}{V}

（1）

式中， $E_{c o h}$ 是内聚能，kJ·mol^-1； $E_{i n t e r}$ 是分子间的总能量，kJ·mol^-1； $V$ 为摩尔体积，cm³·mol^-1。

Models 1~4的内聚能密度如图4所示。相对于完美模型（Model 1），空位缺陷模型（Models 2~4）的内聚能密度减小幅度为1.78%~5.79%，并且随着空位缺陷浓度的升高，内聚能密度逐渐降低，预示着TKX‑50的感度随着空位缺陷浓度的增加而逐渐升高。内聚能密度减小的主要原因可能是空位缺陷引起相同体积下TKX‑50数目的减少，从而导致内聚能的减少。

图4 Models 1~4的内聚能密度

Fig.4 Cohesive energy density of Models 1-4

2.2.2 氢键

TKX‑50中的氢键对其感度具有非常重要的作用^［

29］。TKX‑50中广泛存在的氢键网络能保持其结构的完整性^{［参考文献 30-31}30-31］，在外力刺激时感度很低^{［参考文献 32

百度学术}32］。因此，统计和分析氢键可以在一定程度上反映TKX‑50晶体在缺陷条件下的感度变化。

我们计算了H（2）─O（2）、H（5）─O（2）、H（2）─O（1）和H（5）─O（1）的径向分布函数（RDF），如图5所示。RDF是局部平均粒子密度与总平均的粒子密度的比值。当前，普遍认为H─O径向分布函数能够识别氢键^［

33-35］。另外，Jeffrey^{［参考文献 36

百度学术}36］认为氢键中氢原子与受体原子间的距离很少超过3 Å。图5a显示四个模型中H（2）─O（2）的RDF的最强峰在6.5 Å左右，在2.1 Å处存在弱峰；图5b显示四个模型中H（5）─O（2）的RDF的最强峰在6.0 Å左右，在2.1 Å处存在弱峰。图5a，5b表明羟胺阳离子间的H（2）、H（5）与O（2）原子间主要通过范德华力相互作用，同时部分羟胺阳离子存在氢键相互作用。图5c，5d显示了H（2）─O（1）和H（5）─O（1）的RDF最强峰均在3.0 Å以下，表明阴阳离子之间的H（2）、H（5）与O（1）原子间主要通过氢键相互作用。

a. H（2）─O（2）

b. H（5）─O（2）

c. H（2）─O（1）

d. H（5）─O（1）

图5 H（2）─O（2）、H（5）─O（2）、H（2）─O（1）和H（5）─O（1）的径向分布函数，虚线对应于氢键计算的3 Å截止值

Fig.5 The radial distribution function of H（2）─O（2）， H（5）─O（2）， H（2）─O（1）， and H（5）─O（1）， the dotted line corresponds to the 3 Å cut‑off value calculated by the hydrogen bond

因此，研究设定3 Å为氢原子与受体原子间距离的截止值，并以软件默认的供体‑氢‑受体的最小截止角度90°作为角度限制。统计了TKX‑50晶体中羟胺阳离子间的氢键N（5）─H（5）…O（2）和O（2）─H（2）…O（2），以及联四唑阴离子上以氧原子为氢键受体的氢键O（2）─H（2）…O（1）和N（5）─H（5）…O（1）（H（5）包含H（5A）、H（5B）、H（5C）），用以反映空位缺陷对TKX‑50的氢键网络的影响。除上述氢键外，TKX‑50还存在联四唑阴离子上以氮原子为氢键受体的氢键O（2）─H（2）…N`和N（5）─H（5）…N`（N`包含N（2）、N（3）、N（4））^［

30］，我们对其也做了简单氢键数目统计。原子标号及氢键见图6，图6b为图6a的局部放大图，氢键统计结果见表2。

图6 （a）Model 1最后一帧轨迹，（b）TKX‑50晶体中的氢键网络（氢键用蓝色虚线表示）

Fig.6 （a） The trajectory of the last frame of Model 1. （b） The hydrogen bond network in the TKX‑50 crystal （Hydrogen bonds are indicated by blue dashed lines）

表2 Models 1‑4的平均氢键数

Table 2 Average hydrogen bonds number for Models 1-4

hydrogen bond	Model 1	Model 2		Model 3		Model 4
all	1903	1810	（-4.89%）	1743	（-8.41%）	1569	（-17.55%）
O（2）─H（2）…O（2）	42	41	（-1.30%）	43	（2.38%）	41	（-2.38%）
N（5）─H（5）…O（2）	133	130	（-2.26%）	128	（-3.76%）	126	（-5.26%）
O（2）─H（2）…O（1）	146	124	（-15.27%）	112	（-23.29%）	94	（-35.62%）
N（5）─H（5）…O（1）	444	413	（-6.98%）	392	（-11.71%）	336	（-24.32%）
O（2）─H（2）…N`	322	309	（-4.04%）	296	（-8.07%）	248	（-22.98%）
N（5）─H（5）…N`	816	793	（-2.82%）	772	（-5.39%）	724	（-11.27%）

Note： 1） H（5） contains three types of hydrogen atoms H（5A）， H（5B）， and H（5C）； 2） N` contains three types of nitrogen atoms N（2）， N（3）， and N（4）； 3） Data in brackets are the change amplitude of the average hydrogen bonds number of Models 2‑4 relative to Model 1.

如表2所示，随着空位缺陷的增多，TKX‑50晶体的总氢键数目逐渐减少，在空位缺陷浓度为6.18%（Model 4）时，总氢键数目下降了17.55%，意味着其感度升高。分析羟胺阳离子间的氢键数目（O（2）─H（2）…O（2）和N（5）─H（5）‧‧‧O（2）），可以看出随着空位缺陷的增多，羟胺阳离子间的氢键数目几乎不变。分析TKX‑50中最强的两种氢键^［

30］O（2）─H（2）…O（1）和N（5）─H（5）…O（1），可知随着空位缺陷的增多，与其他氢键相比，这两类氢键数目明显减少，最大减少幅度分别为35.62%（O（2）─H（2）…O（1））和24.32% （N（5）─H（5）…O（1）），表明这两种氢键对总氢键数目的减少做出最大贡献。TKX‑50中另外2类氢键O（2）─H（2）…N`和N（5）─H（5）…N`的数目也随着空位缺陷的增多而减少。

2.3 力学性能

含能材料的力学性能对含能材料的制备、加工和使用具有显著影响。根据Reuss理论和Voigt理论^［

37］，计算出体积模量K和剪切模量G。

Voigt理论：

9 K_{V} = (C_{11} + C_{22} + C_{33}) + 2 (C_{12} + C_{23} + C_{31})

（2）

15 G_{V} = (C_{11} + C_{22} + C_{33}) - (C_{12} + C_{23} + C_{31}) + 3 (C_{44} + C_{55} + C_{66})

（3）

Reuss理论：

K_{R} = {[(S_{11} + S_{22} + S_{33}) + 2 (S_{12} + S_{23} + S_{31})]}^{- 1}

（4）

G_{R} = 15 {[4 (S_{11} + S_{22} + S_{33}) - 4 (S_{12} + S_{23} + S_{31}) + 3 (S_{44} + S_{55} + S_{66})]}^{- 1}

（5）

式中，C_ij（i，j=1，2，……，6）表示弹性系数矩阵；S_ij表示柔量系数矩阵，为C_ij的逆矩阵。

Hill理论证明Reuss理论和Voigt理论得到的模量分别是实际有效模量的下限和上限^［

37］。因此采用Voigt‑Reuss‑Hill近似^{［参考文献 38

百度学术}38］，得到体积模量K和剪切模量G。公式如下：

2 K = (K_{V} + K_{R})

（6）

2 G = (G_{V} + G_{R})

（7）

由K和G可以得到拉伸模量E和泊松比γ：

E = \frac{9 K G}{3 K + G}

（8）

γ = \frac{3 K - 2 G}{2 (3 K + G)}

（9）

根据上述公式，得到Models 1~4的体积模量K、剪切模量G、拉伸模量E、柯西压（C₁₂‑C₄₄）、K/G、泊松比γ的具体数值和变化情况如表3、图7所示。

表3 Models 1~4的力学性能

Table 3 Mechanical properties of Models 1-4

Model	K / GPa	E / GPa	C₁₂‑C₄₄ / GPa	G / GPa	K / G	γ
1	27.127	26.981	18.574	10.111	2.683	0.334
2	25.597	23.915	18.086	8.895	2.878	0.344
3	23.921	17.462	16.764	6.334	3.776	0.378
4	23.005	16.329	15.669	5.909	3.893	0.382

Note： K， Bulk module； E， Tensile Modulus； C₁₂‑C₄₄， Cauchy pressure； G， Shear module； γ， Poisson’s ratio.

图7 Models 1~4的力学性能变化曲线

Fig.7 Mechanical performance curves of Models 1-4

体积模量K，拉伸模量E，剪切模量G与材料的刚度有关，其值越大，表明体系的刚度越强^［

39］。柯西压C₁₂‑C₄₄用于评估材料的延展性和脆性^{［参考文献 40

百度学术}40］，当C₁₂‑C₄₄为正时，材料表现延展性，而负柯西压的材料表现脆性^{［参考文献 41

百度学术}41］。K/G可用于评估材料的韧性，其值越大，表明材料的韧性越好。泊松比γ与材料的塑性有关，泊松比越大表明塑性越好^{［参考文献 42

百度学术}42］。

表3显示了完美型晶胞Model 1的K为27.127 GPa、G为10.111 GPa、γ为0.334。与Ma Song等人^［

22］计算得到的TKX‑50的（100）晶面的力学参数（K为28.23 GPa、G为8.36 GPa、γ为0.365）较为接近。由图7看出，随着空位缺陷浓度的增加，TKX‑50的K、E、G值分别降低了1.530~4.122 GPa、3.066~10.652 GPa、1.216~4.202 GPa，表明晶体空位缺陷越多，晶体刚度下降。所有模型的C₁₂‑C₄₄为正，表明所有模型均表现出延展性，且K/G值与γ随空位缺陷浓度的增加而增加，表明空位缺陷的增多使得TKX‑50的韧性和塑性都得到增强。

2.4 爆轰性能

爆轰性能主要体现含能材料的威力和能量密度。主要的爆轰参数包括爆速（D）和爆压（p）。目前，很多研究采用修正氮当量法^［

43-44］计算了PETN^{［参考文献 5

百度学术}5］、HMX^{［参考文献 4

百度学术}4］、熔铸炸药^{［参考文献 45

百度学术}45］、HMX/NTO共晶炸药^{［参考文献 46

百度学术}46］等炸药的爆轰参数。修正氮当量法计算D与p的公式如下：

\sum N^{` ` `} = \frac{100}{M} (\sum A_{i} N_{A i} + \sum B_{k} N_{B k} + \sum G_{j} N_{G j})

（10）

D = (690 + 1160 ρ_{0}) \sum N^{` ` `}

（11）

p = 1.106 \times {(ρ_{0} \sum N^{` ` `})}^{2} - 0.84

（12）

式中，D为炸药的爆速，m·s^-1；p为炸药的爆压，GPa；ρ₀为炸药的密度，g·cm^-3； $\sum N^{` ` `}$ 为炸药的修正氮当量；A_i为1 mol炸药爆炸时生成第i种爆轰产物的摩尔数；N_Ai为第i种爆轰产物的氮当量系数；B_k为炸药分子中第k种化学键出现的次数；N_Bk为炸药分子中第k种化学键的氮当量系数；G_j为炸药分子中炸药分子中第j种基团出现的次数；N_Gj为第j种基团的氮当量系数。

为验证修正氮当量法对TKX‑50的适用性，对不同密度的TKX‑50进行了计算，并与文献值进行了对比，见表4。从表4可以看出采用修正氮当量法计算的D与文献值的误差在‑5%以内，计算的p与文献值的相对误差为5.65%，可以较好地适用于TKX‑50的爆速和爆压计算。因此，采用修正氮当量法计算本研究中的四种TKX‑50模型（Models 1~4）的D和p，见表5。

表4 不同密度下，采用修正氮当量法计算的TKX‑50的爆速和爆压以及对应密度下的文献值

Table 4 At different densities （ρ）， the detonation velocity （D） and detonation pressure （p） of TKX‑50 calculated by the modified nitrogen equivalent method， as well as the literature values at the corresponding densities

ρ / g·cm^-3	D / m·s^-1		p / GPa
ρ / g·cm^-3	Ref	calculated	Ref	calculated
1.74^{［参考文献 47 百度学术}47］	8904^{［参考文献 47 百度学术}47］	8670（-2.63%）	-	-
1.80^{［参考文献 48 百度学术}48］	9037^{［参考文献 48 百度学术}48］	8893（-1.59%）	-	-
1.88^{［参考文献 13 百度学术}13］	9642^{［参考文献 13 百度学术}13］	9179（-4.80%）	37.0^{［参考文献 13 百度学术}13］	39.1 （5.65%）

Note： Date in the brackets are the relative error between the calculated value and the literature value

表5 Models 1~4的密度与爆轰参数

Table 5 Density （ρ）， the detonation velocity （D） and detonation pressure （p） of Models 1-4

Model	ρ /g·cm^-3	D / m·s^-1	p / GPa
1	1.847	9067	37.8
2	1.822	8974	36.8
3	1.806	8916	36.1
4	1.762	8750	34.3

从表5可知，完美TKX‑50（Model 1）理论密度为1.847 g·cm^-3与Thomas M. Klapötke所得的理论最大密度1.877 g·cm^-3［

12］较为接近，相对误差为‑1.60%，验证了计算模型和计算方法的准确性。该密度下的爆速为9067 m·s^‑1、爆压为37.8 GPa。具有空位缺陷的TKX‑50晶体（Models 2~4）的密度、爆速和爆压都小于Model 1相应的值，表明完美晶体的能量密度最高。随着空位缺陷的增加，爆速和爆压分别降低了93~317 m·s^-1和1.0~3.5 GPa。

在缺陷晶体中，空位的出现导致相同体积下TKX‑50数目的减少，因此缺陷晶体的密度与爆轰参数均呈现出逐渐减小的变化趋势，且空位缺陷浓度越高，密度、爆速和爆压越小，表明TKX‑50的威力减小，能量密度降低，因此晶体缺陷会对TKX‑50的爆轰性能产生不利影响。

3 结论

建立了不同空位缺陷浓度的TKX‑50模型，并通过分子动力学模拟研究了不同模型的感度、力学性能和爆轰性能。主要结果和结论如下：

（1）随着空位缺陷浓度的增加，内聚能密度和氢键总数逐渐降低，预示着TKX‑50感度增加和安全性降低。对六类氢键的数目进行统计，发现羟胺阳离子间的氢键数目几乎不变，其他类型的氢键数目均减少，其中O（2）─H（2）…O（1）和N（5）─H（5）…O（1）对总氢键数目的减少做出最大贡献。

（2）与完美的TKX‑50（Model 1）相比，空位缺陷模型的拉伸模量、体积模量和剪切模量随着空位缺陷浓度的增加而有所下降，表明含空位缺陷的TKX‑50的刚度有所下降。所有模型的柯西压（C₁₂‑C₄₄）均为正，表明所有模型均表现出延展性。K/G值与γ随空位缺陷浓度的增加而增加，表明含空位缺陷的TKX‑50的韧性和塑性更强。

（3）完美的TKX‑50（Model 1）有最大密度、爆速和爆压，随着空位缺陷浓度的增加，空位缺陷模型的密度、爆速和爆压逐渐降低，表明TKX‑50的能量密度降低，晶体缺陷会对TKX‑50的爆轰性能产生不利影响。

致谢

感谢国家自然科学基金联合项目‑“叶企孙”科学基金(U2141202)、国家自然科学基金青年项目(21905023、21805139)、基础加强计划重点基础研究项目的资助。

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空位缺陷对TKX‑50感度、力学性能及爆轰性能影响的分子动力学模拟 PDF

摘要

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关键词

0 引言

1 计算模型和方法

1.1 模型建立

1.2 计算方法

2 结果与讨论

2.1 平衡判定

2.2 感度

2.3 力学性能

2.4 爆轰性能

3 结论

致谢

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1.1 模型建立

1.2 计算方法

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2.2 感度

2.3 力学性能

2.4 爆轰性能

3 结 论

致谢

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