三氨基三硝基苯基高聚物粘结炸药热力学性质的理论计算研究

高聚物粘结炸药(PBX)的热力学性质是用于炸药结构响应、安全性评估、数值模拟分析等的重要参数.由于PBX结构的多尺度特性,完全采取实验方法精细表征这些参数存在巨大的挑战.本文运用第一性原理和分子动力学计算的方法,系统研究了三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药的热力学参数和界面热传导性质.利用散射失配模型研究了TATB与聚偏二氟乙烯(PVDF)界面的热传导过程,发现热导率随温度升高而上升,并且在高温情况下接近于定值.基于分子动力学获得的TATB热导率并结合界面热导率,分析了PBX炸药的热导与颗粒尺寸的关系,当颗粒尺寸大于100 nm时,界面热阻对于PBX热导率的影响有限.     

低温等离子体对氟橡胶表面改性

低温等离子体技术(Low Temperature Plasma technique，LTP)是近年来发展较快的一门材料表面改性技术，本研究采用LTP技术对氟橡胶进行表面改性，考察了改性后的氟橡胶应用于三氨基三硝基苯炸药(TATB)为基的PBX体系中(TATB-PBX)对PBX力学性能的影响，结果表明将LTP技术运用到PBX中，对提高PBX的综合性能是行之有效的。     

TATB/聚三氟氯乙烯复合材料力学性能的MD模拟

用分子动力学(MD)方法,对聚三氟氯乙烯(PCTFE)在1,3,5 三氨基 2,4,6 三硝基苯(TATB)晶体表 面的行为进行模拟计算,求得结合能和静态力学性能(弹性系数、模量和泊松比).发现以氢键为主的分子间相互 作用相当强.TATB基氟聚合物粘结炸药(PolymerBondedExplosive,PBX)较TATB单体炸药的力学性能改变很 大,拉伸模量、体积模量和剪切模量均减小,表明刚性减弱,弹性增强,力学性能显著改善.     

TATB炸药在丙烯腈-苯乙烯共聚物溶液中的吸附行为

塑料黏结炸药(PBX)的生产过程，实质上是炸药在高分子黏结剂溶液中吸附黏结剂而黏结成粒的过程。本文通过吸附热力学和吸附动力学两方面研究了丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS)溶液在不同粒径TATB炸药表面的吸附行为，吸附热力学与吸附动力学研究结果吻合。研究结果对于了解高聚物黏结剂在炸药表面的吸附机理及对造粒过程某些参数的选择具有一定的指导意义。     

冲击加载和斜波加载下PBX炸药细观结构点火特性对比

基于有限元方法,采用Monte-Carlo法建立了考虑炸药颗粒尺寸、形状和位置随机分布的高聚物黏结炸药(PBX)的细观结构。计算分析了冲击加载和斜波加载下黏结剂、孔洞缺陷对PBX炸药细观结构点火特性的影响,研究发现黏结剂含量的增加有效提高了炸药的临界点火压力。相比冲击加载,斜波加载下PBX炸药的临界点火压力有明显提升。炸药内部的孔洞缺陷对临界点火压力的影响与加载方式相关,冲击加载下,孔洞缺陷降低了PBX炸药的临界点火压力;而斜波加载下,孔洞缺陷提高了PBX炸药的临界点火压力。     

亚微米TATB爆轰波剖面实验

用激光速度干涉技术测试炸药／窗口界面粒子速度，研究炸药的冲击起爆、爆轰反应区结构、爆轰驱动和炸药反应速率等。与普通颗粒TATB相比，亚微米TATB炸药对高压短脉冲敏感，在钝感起爆器中有应用价值。文中用VISAR技术，测试亚微米TATB在短脉冲加载下的炸药／窗口界面粒子速度，对亚微米TATB的反应区结构进行了探讨。亚微米TATB是通过重结晶-气流粉碎的方法制备的，平均颗粒度0．58μm。     

PBX炸药粘弹性统计微裂纹本构模型的改进

基于描述PBX炸药本构关系的粘弹性统计微裂纹模型(Visco-SCRAM),通过修正其微裂纹方向矢量的取值范围、初始缺陷尺寸和体量本构关系,得到模型的改进形式。将改进的模型嵌入有限元程序中,开展PBX炸药JO-9159的平板撞击实验数值模拟研究,讨论了微裂纹数密度参数对计算结果的影响。结合实测曲线,对模型改进前、后的计算结果进行对比和分析。结果表明,改进的模型能够更合理地描述低速冲击下PBX炸药的损伤和破坏。     

未反应JB-9014炸药的状态方程

JB-9014炸药是以TATB为基的塑料粘结炸药，含95％的TATB和5％的粘结剂。由于其突出的安全性及由此引起的非理想爆轰行为引起人们特殊的关注。近来，由于Pascal Vinet等人发展的统一状态方程已被成功用于一系列的元素、金属、合金和塑料。但或多或少，这不是一个完全的状态方程。为了发展一个完全的状态方程，热力学数据是必须的，特别是定容比热Cv。通常，Cv可以是温度的函数，并在高温下趋于常数，因此Cv可以表示为温度倒数的多项式。基于此，     

TATB基炸药水中爆炸能量测试技术

 在用水中爆炸法测量以TATB为基的TBL炸药能量的研究中,设计了2种具有高爆压和大质量的扩爆药柱。通过2类扩爆药柱的能量测试实验得到的扩爆药柱能量与理论结果相同,TBL炸药的能量为TNT炸药能量的70%左右;炸药的爆压越高,冲击波能量随爆炸距离的衰减越快。     

三种黏结剂的力学性能对比

高分子黏结剂是PBX的重要组成部分，黏结剂可承受较大变形，起着黏结炸药颗粒及传递应力的作用。黏结剂显著影响PBX总体力学性能。研究黏结剂单相材料力学性能对PBX配方设计、整体力学行为和变形破坏机理等有重要意义。本文通过相同条件下压缩和拉伸性能测试系统地研究比较了F2311，F2314和Estane三种黏结剂的力学行为，结果可为PBX炸药配方黏结剂选择提供参考。     

PBX炸药动态Brazilian试验及数值模拟研究

 开展了PBX炸药的动态Brazilian试验,获得了不同加载应变率条件下的拉伸强度;通过高速摄影,获得了PBX炸药试样表面裂纹的产生发展过程;采用数字散斑相关方法,获得了试样出现裂纹前的应变场分布。利用离散元方法,开展了考虑PBX炸药细观结构的动态Brazilian数值模拟,获得了损伤演化发展、并形成裂纹的全过程,模拟结果能初步再现PBX炸药的损伤破坏过程。     

PBX炸药含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹本构模型初步研究

建立含损伤本构模型是研究炸药动态力学响应规律的基础。基于PBX炸药材料的宏观黏弹性特征和细观上微裂纹面的方向性,建立了含各向异性损伤的黏弹性统计微裂纹(Aniso-Visco SCRAM)本构模型,简化后得到单轴应力加载下的本构方程。利用数值计算程序,以PBX9501为例,分析了微裂纹扩展的各向异性、PBX炸药破坏强度及临界应变的拉压异性和应变率相关性,考察了微裂纹数密度、初始微裂纹尺寸、微裂纹面摩擦系数及断裂表面能4个主要参数的敏感性及影响规律。结果表明,它们对微裂纹的扩展演化有较大影响,进而导致材料表现出不同的力学响应。     

弹黏塑性热点模型的冲击起爆临界条件

非均质炸药冲击起爆临界条件是武器传爆系列设计以及安全性能评估中十分关注的问题。基于Kim弹黏塑性热点模型,通过数值求解冲击波作用下炸药局部热点的温升模型,获得了TATB和HMX基炸药在不同冲击压力作用下的冲击起爆临界阈值,定量分析了孔隙度对炸药冲击起爆临界阈值的影响。与实验数据对比,结果表明:在1~10GPa范围内,采用该模型计算得到的冲击起爆临界阈值与一维短脉冲试验相符,对应的炸药冲击起爆临界阈值近似为一常量;当压力大于10GPa时,非均匀炸药的冲击起爆机制开始由局部热点机制向整体均匀加热机制转变;在一定压力范围内,炸药孔隙度越大,冲击起爆临界阈值越小。     

高温高压下高能钝感炸药TATB物性及相关实验技术研究进展

1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)作为典型的高能钝感炸药之一,在民用、军工等领域具有重要的研究价值。基于科学挑战专题,分别从实验技术和实验成果两方面详细概述了极端条件下TATB的物性研究进展,系统介绍了课题组自主设计和搭建的光谱测试系统和高温高压仪器装置,以及TATB在高压下的光吸收和结构演化规律。另外,还对低温环境下炸药的结构稳定性、高温环境下炸药的热稳定性以及压力参量对样品化学分解进程和热分解机制的影响进行了阐述和讨论。     

超细炸药比表面积测试技术

与常规炸药相比，超细炸药由于比表面积高、表面能高、表面化学活性大，受到大家的青睐。文中以超细TATB、超细BTF和超细HNS为研究对象，以研究比表面积测试过程中的影响因素，为科研生产提供技术后盾。     

PBX代用材料动态力学行为和微观结构的实验研究

 研究了固体炸药PBX代用材料D-90031的微观结构、压制过程中产生的原生缺陷形态，以及动态力学行为和破坏特征。采用数字图像分析技术、纳米力学测试系统，以及分离式霍普金森压杆（SHPB）实验和落锤冲击技术，获得了微观结构特点、各组分的硬度和弹性模量、动态性能，以及碎片的尺寸分布规律和材料的破坏形式。研究发现，晶粒的形态随外载的作用而改变，晶粒沿垂直加载方向伸长，材料的碎块尺寸满足一定的规律。研究结果对于深入认识固体炸药的性能与微观结构的关系具有一定的指导意义。     

高聚物黏结炸药的分子模拟进展

回顾了近年来在高聚物黏结炸药(PBX)原子和分子尺度数值模拟方面取得的进展,主要研究领域包括以下6个方面:炸药分子力场、热力学参数计算、耗散/输运性能、相图/相变动力学、动力学响应行为和热点形成机制。针对当前研究现状,介绍了各领域的代表性工作和主要研究成果。目前对PBX炸药的结构和静力学性能已有较充分的认识,但对炸药的动力学响应行为和细观起爆机制尚缺少系统的科学认识,存在一系列挑战性问题,如结构缺陷在爆轰反应后期的形态和表征,以及初始缺陷对爆轰波波形畸变的影响机制。需要将理论计算与实验相结合,以解决爆轰物理领域中的难点问题。     

CTVD格式数值计算非均质炸药爆轰问题

将高分辨率激波捕捉格式CTVD格式拓展应用到非均质炸药爆轰的数值模拟问题.增加了化学反应率控制方程,引入Lee-Tarver点火成长模型,未反应的固体炸药和化学反应气体产物都使用JWL形式状态方程.数值模拟了非均质固体炸药PBX-9404和TATB的冲击起爆问题.获得了较高的爆轰波分辨率和光滑解区的数值精度,对具有复杂物态方程形式的固体炸药爆轰问题,CTVD格式具有简单实用、高效和高分辨的特点.     

钝感高能炸药三氨基三硝基苯高温高压下热力学性质的分子动力学模拟研究

热力学性质是钝感高能炸药1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6-三硝基苯(TATB)爆轰性质和安全性评估分析的重要参数. 由于结构的复杂性, TATB炸药尚缺乏系统的实验和理论计算结果. 结合全原子力场和分子动力学的方法, 本文系统研究了不同温度和压力条件下TATB的力学性质和热力学参数, 得到了弹性模量、德拜温度等随温度、压力的变化情况, 并与实验进行了对比分析. 结果表明: 在 0-50 GPa外部压力下, TATB晶体保持力学稳定, 弹性常数和弹性模量随压力升高而增大, 各向异性程度随压力升高而减小, 泊松比和延展性则受压力的影响较小; 随温度的升高, TATB的力学稳定性逐渐下降, 有发生力学失稳的可能, 各弹性常数随温度升高而逐渐减小, 各向异性程度也随之减小; TATB 的声速和德拜温度同样随着压力升高而增大, 平均声速从0 GPa下的1833 m/s, 增加到10 GPa 下的3143 m/s, 德拜温度由0 GPa下的254 K增加到10 GPa的587 K. TATB 热膨胀系数的计算表明, 在200-500 K 温度常压情况下, 其体热膨胀系数为35.9×10^-5 K^-1, 与实验数据符合较好.     

利用电磁法研究HMX与TATB混合钝感炸药的冲击起爆特性

为研究含有少量奥克托金(HMX)且以三氨基三硝基苯(TATB)为基的高能钝感炸药PBX-3的冲击起爆反应增长规律,采用火炮驱动蓝宝石飞片的方法和铝基组合式电磁粒子速度计技术进行了一维平面冲击实验。通过实验测量撞击表面及内部不同深度处的冲击波后粒子速度,得到PBX-3炸药的Hugoniot关系。根据冲击波示踪器所测数据绘制了炸药到爆轰的时间-距离(x-t)图,获得了反映炸药冲击起爆性能的Pop关系。将入射压力为12.964 GPa时达到爆轰的6条速度曲线修整成相同零点,通过读取6条曲线的分离点即反应区末端的C-J点,计算出化学反应区时间和宽度。