TNT高温热解及含碳团簇形成的反应分子动力学模拟

ReaxFF-MD模拟三硝基甲苯(TNT)高温热解显示增加了伦敦耗散力项(E_lg)的ReaxFF/lg 势函数在含能材料平衡密度计算方面具有优越性. 产物识别分析得出TNT热解的主要产物为NO₂、NO、H₂O、N₂、CO₂、CO、OH以及HONO,且最终产物为H₂O、N₂和CO₂. 使用ReaxFF势函数模拟同样过程进行比较性分析显示,在主要产物和最终产物方面与ReaxFF/lg 作用结果具有一致性,但在化学反应动力学方面表现出一些差异. ortho-NO₂键断裂和C―NO₂→C―ONO重排布-断裂形成NO₂和NO是TNT热解的主要初级反应,且前者产生速率大于后者,NO₂和NO形成后很快参与次级反应并最终形成N₂. 高温热解中形成OH等小分子会促进H₂O的形成. 环上基团相互反应或直接脱落后,主环间C―C键才发生断裂,但温度升高会加快主环断裂,并进一步分解形成CO₂,这也是高温条件下CO₂分布产生波动的一个重要原因. 并且当晶胞中的TNT分子几乎完全分解时,系统的势能开始明显衰减. 与温度相比,密度对热解中最大含碳团簇形成的影响更明显. 并且,模拟结果显示,在TNT完全分解前已经出现含碳中间体的聚合现象. 此项工作表明使用ReaxFF/lg 反应力场研究TNT高温热解可以提供具体的动力学和化学方面的信息,并有助于理解含能材料的爆轰问题并可进行安全评估.     

CL20-TNT共晶高温热解的ReaxFF/lg反应力场分子动力学模拟

ReaxFF/lg势函数是在ReaxFF的基础上增加了对范德华引力的描述, 因此可以更好地用于描述晶体密度和结构, 而含能材料密度很大程度上影响着爆轰的宏观性质(如爆速、反应区宽度、能量输出结构等). 本文采用ReaxFF/lg反应力场分析了高温条件下凝聚相CL20-TNT共晶的初始分解情况, 并通过简单的指数函数拟合势能演化曲线获得了平衡和诱导期以及整体反应时间, 随后通过反应速率方程得到了共晶热解的活化能E_a (185.052 kJ/mol). CL20-TNT共晶热解过程中CL20分子均在TNT之前分解完毕, 并且随着温度的升高, TNT的分解速率明显加快, 温度越高二者完全分解所需的时间越接近. 有限时间步长下的产物识别分析显示主要产物为NO₂, NO, CO₂, N₂, H₂O, HON, HNO₃. NO₂是C–NO₂和N–NO₂键均裂共同贡献的结果, 其产量快速地增加, 达到峰值后开始减少, 此过程伴随着NO₂参与其他反应使得NO₂中的N原子进入到其他的含N 分子中. 次要产物主要为CO, N₂O, N₂O₅, CHO. N₂O具有很强的氧化能力, 使其分布有着剧烈的波动特征. 关键词： 共晶结构 高温热解 ReaxFF/lg 势函数 分子动力学     

高速水射流与凝聚炸药相互作用的数值模拟

 利用LS-DYNA3D软件并采用Lagrange算法，对500 m/s的高速水射流与凝聚炸药的相互作用过程进行了数值模拟；对不同时刻凝聚炸药中的压力分布以及不同径向、轴向处的压力历史进行了分析；确定了所选凝聚炸药的声速。数值模拟的结果与理论分析的结果之间具有很好的一致性。模拟结果表明，在高速水射流与凝聚炸药相互作用的过程中，凝聚炸药药柱截面上的压力随径向距离的增加而降低；药柱中的最大压力出现在水射流头部附近或水射流头部的前方。     

梯恩梯(TNT)爆轰初期形成富碳团簇分子及类石墨结构的分子动力学模拟

富碳炸药在爆轰过程中可产生团簇分子,而现有的实验手段不能直接观测团簇分子的形成过程.本文采用ReaxFF/lg力场对梯恩梯（TNT）在不同温度下的热分解过程进行了模拟.研究发现：团簇分子在反应初始阶段形成缓慢,大约一次增加一个TNT相对分子质量.随着反应进行,团簇分子迅速增大,最大团簇分子相对分子质量可达8000~10000,约占体系质量的18%.分析团簇分子的结构发现,团簇分子中一部分苯环被破坏,形成五元环和夹杂N、O原子的六元环,在3500 K条件下还形成了更为复杂的七元环等结构.通过体积膨胀和直接降温的方法,研究了团簇分子的稳定性：体积膨胀使得团簇分子迅速分解;而直接降温,团簇分子又聚合成更大的团簇.分析类石墨结构的产生过程,发现先膨胀然后降温是必不可少的步骤.比较团簇分子和TNT分子中各原子质量所占比,团簇分子中C原子质量比始终在增加.     

六硝基六氮杂异伍兹烷/2, 4, 6-三硝基甲苯共晶冲击起爆过程的分子动力学模拟

多尺度冲击技术可以准确的再现含能材料冲击起爆过程中冲击波阵面及反应区内的热力学和化学反应路径. 文本利用反应力场分子动力学(ReaxFF-MD)对六硝基六氮杂异伍兹烷/2, 4, 6-三硝基甲苯(CL20/TNT)1:1共晶沿<110>方向以6–10 km·s^-1的冲击速度进行冲击压缩模拟. 产物识别分析显示当冲击速度≥7 km·s^-1时, 冲击激发化学反应发生, 并且利用Rankine-Hugoniot守恒关系求得冲击起爆压力为24.56 GPa. 再者, 比较了冲击速度与粒子速度, 冲击速度与冲击诱发形变的关系, 当冲击速度为7–8 km·s^-1时, 冲击起爆发生, 系统经历弹- 塑性相变, 初级化学反应及次级化学反应, 并且相变与化学反应同时进行, 对于较高的冲击波速度(≥9 km·s^-1), 共晶系统内为过驱响应, 热力学参数均出现陡峭的梯度变化, 冲击波压缩材料直接阶跃至塑性变形阶段, 并且此阶段出现大量的碳原子.     

CL20/BTF共晶高温热分解ReaxFF/lg分子动力学模拟

用ReaxFF/lg反应力场模拟CL20/BTF共晶在2000~3000 K高温条件下的热分解过程,获得了势能和物种数的演化、初始反应路径及热分解产物等详细信息。通过指数函数对势能的演化曲线进行拟合得到反映特征时间等参数,采用经典的Arrhenius反应速率方程描述总包反应,获得CL20/BTF共晶的活化能E_a=60.8 kcal/mol。研究得到CL20/BTF共晶热分解的初始路径,CL20分子中N-NO₂首先断裂,在热分解起始阶段占主导作用。在不同温度条件下,CL20分子均在BTF分子前完全分解。CL20/BTF共晶的主要产物为NO₂、NO、NO₃、HNO、N₂、H₂O、CO₂、O₂、N₂O、HONO 等。温度对产物均产生一定程度的影响.     

TNT高温热解及含碳团簇形成的反应分子动力学模拟

ReaxFF-MD模拟三硝基甲苯(TNT)高温热解显示增加了伦敦耗散力项(Elg)的ReaxFF/lg势函数在含能材料平衡密度计算方面具有优越性.产物识别分析得出TNT热解的主要产物为NO2、NO、H2O、N2、CO2、CO、OH以及HONO,且最终产物为H2O、N2和CO2.使用ReaxFF势函数模拟同样过程进行比较性分析显示,在主要产物和最终产物方面与ReaxFF/lg作用结果具有一致性,但在化学反应动力学方面表现出一些差异.orthoNO2键断裂和C―NO2→C―ONO重排布-断裂形成NO2和NO是TNT热解的主要初级反应,且前者产生速率大于后者,NO2和NO形成后很快参与次级反应并最终形成N2.高温热解中形成OH等小分子会促进H2O的形成.环上基团相互反应或直接脱落后,主环间C―C键才发生断裂,但温度升高会加快主环断裂,并进一步分解形成CO2,这也是高温条件下CO2分布产生波动的一个重要原因.并且当晶胞中的TNT分子几乎完全分解时,系统的势能开始明显衰减.与温度相比,密度对热解中最大含碳团簇形成的影响更明显.并且,模拟结果显示,在TNT完全分解前已经出现含碳中间体的聚合现象.此项工作表明使用ReaxFF/lg反应力场研究TNT高温热解可以提供具体的动力学和化学方面的信息,并有助于理解含能材料的爆轰问题并可进行安全评估.     

飞秒激光烧蚀固体靶的冲击压强

在明确飞秒激光与物质相互作用过程中冲击压强和冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝、铜、硅三种固体靶过程中的冲击压强与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀固体靶的时间分辨泵浦探测阴影图提取了冲击压强的绝对值. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料以及飞秒激光推进技术有重要意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 冲击压强 冲击温度     

飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度

在明确飞秒激光与物质相互作用过程冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝靶和铜靶过程中的冲击温度与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀金属的双温模型提取了冲击温度的绝对值, 基于非傅里叶热传导模型计算了冲击温度的分布. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料有借鉴意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 烧蚀 冲击温度     

八硝基立方烷高温热分解分子动力学模拟

随着对高能量密度材料的性能要求不断提高,新型高能量密度材料成为近期研究热点,其中八硝基立方烷(ONC)由于其优越的性能成为其中典型的代表,然而关于八硝基立方烷热分解的动力学机理研究比较少。本文采用ReaxFF反应力场模拟高温条件下凝聚相八硝基立方烷初始热分解过程。研究发现热分解过程中八硝基立方烷笼状骨架结构中C-C键最先发生断裂,并逐步破坏形成八硝基环辛烯等,随后出现NO₂和O等,计算结果表明笼状骨架结构的破坏存在三种不同路径。八硝基立方烷在高温条件下热分解的主要产物有NO₂、O₂、CO₂、N₂、NO₃、NO、CNO以及CO等,其中N₂和CO₂是终态产物,不同温度对产物均产生不同程度的影响。