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.     

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。     

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.     

TATB基PBX炸药的形稳性

以TATB为基的炸药配方普遍存在着环境变化时尺寸变化较为显著的问题。因此了解并解决TATB基PBX炸药在应用当中的形稳性问题就显得至关重要。为此，详细研究TATB基PBX药柱在热循环中的尺寸变化规律，分析了不同压药方法、黏结剂性质及TATB的粒径大小等因素对TATB基PBX炸药尺寸稳定性和线膨胀系数的影响规律。     

JB9014炸药在常温和-54 ℃低温下冲击引爆压力场发展的实验研究

 应用锰铜压力计对钝感高能炸药JB9014在常温和-54 ℃下冲击起爆压力场的发展进行了实验研究。在-54 ℃下压力场的发展图像揭示出JB9014炸药遵循均质炸药起爆机理,而常温下的这种图像表明其兼备均质和非均质炸药起爆机理;在-54 ℃下JB9014炸药的冲击感度比常温下低得多;无论是在常温下还是在-54 ℃低温下,JB9014炸药的冲击感度均比具有相同TATB/粘结剂配比的PBX-9502炸药的低。     

精确计算TATB分子间相互作用能并重新认识其作用本质

TATB炸药的钝感性质与其分子间强烈的相互作用密切相关,目前尚难以用实验方法直接准确地测定其分子间相互作用能。已发表的理论研究工作受当时计算方法和条件限制,计算结果误差较大、充满矛盾。本文用B3PW91-D3BJ/def2-TZVPP方法优化了TATB二聚体可能存在的六种构型的几何结构并作振动频率分析,发现仅有三种稳定构型,即氢键构型A,堆叠构型B和C,用MP2/def2-TZVPP方法重新优化了这三种构型的几何结构参数,并用于CCSD(T)/CBS方法计算,得到分子间相互作用能分别为A: -6.20,B: -15.45,C: -15.65 kcal/mol,CCSD(T)/CBS计算中发现构型B和C的高级校正项大约是分子间相互作用能的50%,是MP2方法不可能准确预测TATB二聚体堆叠构型分子间相互作用能的原因;本文还用新一代能量分解方法ALMO-EDA分析了TATB分子间相互作用本质,发现对于堆叠构型B和C,除了色散作用之外,静电吸引对决定TATB二聚体中的几何结构十分重要,TATB高能炸药良好的钝感性质起源于其分子间较强静电吸引的驱动和定向,使之形成稳定的堆叠结构,其稳定性来源于色散和静电的协同作用。     

20 GPa斜波压缩下PBX-14炸药的动力学响应

利用磁驱动加载实验技术和激光干涉测速技术,开展了未反应固体TATB基PBX-14炸药的斜波压缩实验,获得了20 GPa峰值压力下PBX-14炸药的后表面速度波剖面实验数据。基于阻抗匹配修正的迭代Lagrange数据处理方法处理实验数据,获得了0~20 GPa压力范围内PBX-14炸药的压力-相对比容关系、高压声速-粒子速度关系等动力学特性参数。结合等熵状态方程和由实验获得的动力学参数,对PBX-14炸药的斜波压缩实验过程开展了一维流体动力学数值模拟,计算结果与实验结果吻合良好,验证了本实验方法、数据处理方法及选取的物理模型的正确性。     

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.     

炸药粉点火与快速反应临界条件的确定

 在爆炸激波管中利用我们研制的测温技术、回收技术及光谱技术研究了三氨基三硝基苯（TATB）、黑索金（RDX）、梯恩梯（TNT）粉在不同激励条件下的反应程度。研究表明：TATB炸药的临界点火温度和压力最高,其次是TNT,RDX最小。测量结果与国外的结果进行了比较。     

TATB生成焓的量子力学计算

采用Hartree-Fock方法和密度泛函 BPW91方法,对TATB分子的几何结构进行了优化,计算了其电子能量和热运动的能量.计算并讨论了TATB的生成焓.结果表明,TATB分子中的苯环离域电子结构引起TATB生成焓计算的较大的系统偏差;利用具有相似离域电子结构的苯和NO的生成焓进行修正,计算得到的TATB生成热与实验结果符合较好.?     

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。     

TATB在高温下分解的动力学模拟

TATB作为一种知名的钝感炸药,其敏感度和反应特性一直是含能材料研究领域的热点问题。采用从头算分子动力学方法,系统模拟了TATB在不同温度、压力以及含有黏结剂情况下的分解反应过程,并逐个分析这些因素对反应机理和反应速率的影响。结果显示:不同温度下反应机理基本保持不变,但反应速率受温度的影响较大;压力对反应前、后期有不同的影响;对于含有氟聚物黏结剂的体系,氟聚物会参与TATB的分解,并改变最终产物的组分。     

TATB分子的结构及分子间相互作用

采用Hartree-Fock方法和密度泛函BPW91方法,对TATB双分子系统的几何结构和能量进行了优化和计算,得到双分子共平面的平衡结构.结果表明在TATB分子内部H和O之间存在着明显的氢键.分子之间的相互作用使TATB分子的对称性下降.一般地,没有充分计入分子之间的相互作用的影响时,计算得到的C-N键长比实验测得值大,而计算得到的C-C键长比实验测得值小.计算并讨论了TATB分子之间的相互作用能,表明TATB分子形成晶体结构时,应当以层状晶体结构最为稳定.     

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。     

同步辐射SAXS技术在TATB含能材料微孔结构研究中的初步应用

TATB含能材料的微结构对该材料的感度等有明显的影响,因而对于材料的安全性有着特别重要的意义.小角X射线散射(SAXS)技术是一种分析物质微观结构的重要手段,应用SAXS分析技术可以获取材料中几纳米到几百纳米尺度范围的亚微结构信息.利用同步辐射作为X射线源对TATB钝感炸药进行了小角散射实验测量,获得了SAXS测量谱.对实验谱数据进行处理,可得到样品材料的颗粒分布及内部微孔大小等微结构参数.     

应用分形理论探讨炸药的撞击感度

 根据分形几何的周长-面积公式及线性回归原理,对TATB等六种炸药样品的落锤试验的分幅图像进行了图像处理和分形维数计算。从中发现,越钝感的炸药样品,分形维数越大。因此,可以认为,用炸药样品的分形维数来鉴别撞击感度是基本可行的。     

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。     

炸药球壳中长程绕射爆轰波的传播行为

 进行了一点引爆的塑料粘结炸药（HMX/TATB=87/7）球壳中长程绕射爆轰波传播实验。针对实验结果给出一种简便的近似计算方法,它能准确地重现炸药球壳中长程绕射爆轰波的非理想传播行为。     

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。     

TATB的亚稳结构的理论计算

采用密度泛函理论B3LYP方法,在6-311g**水平上对TATB的结构进行优化,得到了TATB的稳定几何结构和分子内部质子迁移后形成的亚稳结构,计算了这两个结构的电子能量.对计算结果进行了讨论.