HMX和PETN及其复合材料结构与性能的MD模拟研究

摘要

HMX（环四亚甲基四硝胺）和PETN（季戊四醇四硝酸酯）都是具有较高化学稳定性和优良爆炸性能的单体猛炸药。本论文采用分子动力学(MD)模拟方法，在COMPASS力场下，研究HMX和PETN及其复合体系结构-性能之间的关系，并与感度关联，研究其安全性能。
　　对于HMX及其复合体系的MD模拟，首先探讨HMX模型选取对MD模拟结果的影响，发现MD模拟研究以取切割分面的较大体系为宜。然后，选取合适的HMX晶体模型并以HMX为基石蜡为钝感剂构建HMX/石蜡复合体系，并在5种不同温度（245，295，345，395和445K）下进行MD模拟，探讨体系结构、能量及力学性能与感度的关系，揭示石蜡的致钝机理，以引发键最大键长（Lmax）、引发键键连双原子作用能(EN-N)和内聚能密度（CED）关联体系的热和撞击感度。最后，选取三种端羟基聚合物作为粘结剂，作常温下的MD模拟比较，在综合考虑相容性、安全性和力学性能等基本属性的基础上，发现端羟基聚丁二烯(HTPB)为三种粘结剂中最优粘结剂，丰富了高聚物粘结炸药PBX的配方设计。
　　对于PETN及其复合体系的MD模拟，首先研究模型和温度对PETN晶体MD模拟影响，亦发现选取切割分面的PETN晶体模型能获得较符合实际的各项性能，与模型选取对HMX晶体MD模拟影响结果一致。最后，选取PETN/TNT混合炸药为研究对象，作4种不同温度(195，245，295和345K)下的MD模拟，重点探讨结构、能量和力学性能及其温度效应，寻求和核准微观感度理论判据对混合炸药的适用性。此外研究还发现，每个温度下，PETN/TNT混合体系的Lmax均比PETN晶体的小、引发键键连双原子作用能（EO-N）比PETN晶体的大以及弹性力学性能比单质炸药的好，说明混合炸药的综合性能优于单质炸药，符合实验事实。
　　总之，本文运用MD方法，探讨HMX和PETN模型选取对MD的影响，有利于后续MD模拟模型的选取。研究HMX和PETN及其复合体系的结构-性能关系，不仅具有理论意义，又有实用价值。特别是揭示石蜡致钝机理、优选粘结剂配方设计及提供混合炸药综合性能优于单质炸药的各项数据，为理论支撑实验事实奠定了基础，具有实际意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 HMX及其复合材料的研究状况

1．2．2 PETN及其复合材料的研究状况

1．3 研究方法

1．3．1 计算机模拟方法概述

1．3．2 分子动力学模拟及其基本原理

1．4 分析方法

1．4．1 引发键键长分析

1．4．2 引发键连双原子作用能分析

1．4．3 内聚能密度分析

1．4．4 结合能分析

1．4．5 力学性能分析

1．4．6 对相关函数分析

1．5 研究内容

2 HMX不同晶胞大小的MD模拟研究

2．1 引言

2．2 模型搭建与计算细节

2．2．1 模型搭建

2．2．2 模拟细节

2．3 结果与讨论

2．3．1 体系平衡判别和平衡结构

2．3．2 HMX在不同超胞下的MD模拟晶胞参数

2．3．3 HMX不同模型的引发键N-N键长分布

2．3．4 HMX不同模型的引发键连双原子作用能

2．3．5 HMX不同模型的力学性能

2．4 本章小结

3 不同温度下HMX及HMX／石蜡复合材料的MD模拟研究

3．1 引言

3．2 模型搭建与计算细节

3．2．1 模型搭建

3．2．2 模拟细节

3．3 结果与讨论

3．3．1 体系平衡判别和平衡结构

3．3．2 HMX和HMX／石蜡复合体系中引发键N-N键长分布

3．3．3 HMX和HMX／石蜡复合体系N-N双原子作用能

3．3．4 HMX和HMX／石蜡复合体系内聚能密度

3．3．5 结合能

3．3．6 对相关函数

3．3．7 力学性能

3．3．8 石蜡的致钝机理探讨

3．4 本章小结

4 常温下HMX／端羟基聚合物PBXs的MD模拟研究

4．1 引言

4．2 模型搭建与计算细节

4．2．1 模型搭建

4．2．2 模拟细节

4．3 结果与讨论

4．3．1 体系平衡判别和平衡结构

4．3．2 引发键N-N键长分布

4．3．3 引发键N-N双原子作用能

4．3．4 内聚能密度

4．3．5 结合能

4．3．6 对相关函数

4．3．7 力学性能

4．4 本章小结

5 模型和温度对PETN晶体MD模拟结果影响

5．1 引言

5．2 模型搭建和模拟细节

5．2．1 力场选择和模型搭建

5．2．2 模拟方法和细节

5．3 结果与讨论

5．3．1 PETN晶体的晶胞参数

5．3．2 感度与引发键最大键长的关系

5．3．3 感度与引发键连双原子作用能的关系

5．3．4 感度与内聚能密度的关系

5．3．5 力学性能比较

5．4 本章小结

6 不同温度下PETN／TNT混合体系MD模拟研究

6．1 引言

6．2 计算模型和模拟细节

6．2．1 模型构建

6．2．2 模拟细节

6．3 结果与讨论

6．3．1 感度与引发键最大键长的关系

6．3．2 感度与相互作用能的关系

6．3．3 感度与内聚能密度的关系

6．3．4 力学性能比较

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录