TATB基PBX结合能的分子动力学模拟

用分子动力学(MD)方法,模拟计算了四种氟聚合物(聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、氟橡胶(F2311)、氟树脂(F2314))与TATB(1,3,5鄄三氨基鄄2,4,6鄄三硝基苯)晶体的相互作用.结果发现,四种氟聚物与TATB的结合能大小排序为PVDF>F2311>F2314>PCTFE,各氟聚物在TATB不同晶面上的结合能大小排序为(001)>(010)>(100),结合能主要由分子间氢键决定.

分子动力学模拟浓度和温度对TATB/PCTFEPBX力学性能的影响

为探讨高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)的力学性能随温度和高聚物浓度而变化的规律,用分子动力学(MD)方法和compass力场,对著名高能炸药1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)与常用高聚物粘结剂聚三氟氯乙烯(PCTFE)所构成的TATB/PCTFE PBX进行模拟计算.结果表明,在一定范围内,随高聚物浓度的增加,PBX的弹性系数和模量减小,表明其刚性减小、弹性增加;而随温度的升高,PBX的刚性减小、弹性增强.还发现PBX的结合能随浓度增高而增大,随温度升高而减小.

TATB基PBX结合能和力学性能的理论研究

以SCF-MO-AM1方法和MM-COMPASS力场,对TATB(1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯)与系列高聚物组成的PBX(高聚物粘结炸药)尺寸匹配原子簇,分别进行全优化几何构型计算,发现两种方法求得的结合能存在良好的线性关系.对TATB(3×3×4)超晶胞及其与系列氟聚物组成的双组分PBX,实施COMPASS力场下的分子动力学(MD)周期性模拟计算,首次求得其弹性系数、模量和泊松比,发现添加少量高聚物即能有效改善炸药的力学性能.

TATB基PBX界面粘结改善研究进展

对近年来提高和改善TATB基高聚物粘结炸药(PBX)界面粘结的方法进行了综述,从TATB特殊的分子结构出发,讨论了粘结剂的选择以及界面之间相互作用的评估,从理论模拟的角度分析了氟聚合物与TATB间的相互作用。重点阐述了炸药表面改性、偶联剂对界面改善的影响。指出了重点发展的三个方向:粘结剂结构设计、偶联剂加入、新型包覆方法。

TATB基高聚物粘结炸药高温力学性能

为分析TATB基高聚物粘结炸药(PBX)在高温状态下的性能变化,对该高聚物粘结炸药在不同温度下的压缩性能、拉伸性能、蠕变性能及泊松比进行了测试,并采用扫描电子显微镜对其高温蠕变断面形貌进行了观察。结果表明,该高聚物粘结炸药的压缩强度、拉伸强度、抗蠕变持久应力及持久时间均随温度升高而降低,其泊松比随温度升高无明显变化;在高温70℃、拉伸应力为3 MPa下,该PBX拉伸蠕变破坏模式主要为炸药颗粒与粘结剂脱粘,而在相同拉伸应力、温度为50℃和60℃下,其拉伸蠕变破坏模式还表现为炸药颗粒断裂。

TATB基PBX及其改性配方的蠕变性能

为探讨粘结剂组成对TATB基高聚物粘结炸药(PBX)蠕变性能的影响,用电子万能试验机和动态力学分析仪分别研究了TATB基PBX及其改性配方的拉伸、压缩和三点弯曲蠕变行为。结果表明,加入高玻璃化转变温度和高力学强度的增强剂苯乙烯共聚物可改善TATB基PBX的抗蠕变性能。改性配方的蠕变应变降低,蠕变破坏时间延长。由50℃/3 MPa下拉伸蠕变、70℃/10 MPa下压缩蠕变以及70℃/6 MPa下三点弯曲蠕变试验所得原配方的破坏时间分别为14,12.7,12 min,而同样条件下,改性配方未发生蠕变破坏。根据时温等效原理,获得TATB基PBX及其改性配方在参考温度60℃下的蠕变柔量主曲线。与原配方相比,TATB基PBX改性配方的蠕变柔量主曲线向下偏移,抗蠕变性能提高。

模压TATB基PBX炸药件晶体取向对膨胀特性的影响

炸药件的膨胀特性对其使用性能有重要影响,研究TATB基PBX炸药件晶体取向与膨胀特性的关系,可为控制TATB晶体的形稳性提供基础支撑。采用线膨胀仪测定了颗粒状、片状及原材料TATB晶体所压制药柱沿不同方向的膨胀特性,采用X射线衍射仪和Rietveld全谱拟合精修的方法测定了TATB基PBX炸药件的晶体取向(F),并研究了TATB晶体取向对膨胀特性的影响。结果表明:TATB基PBX药柱存在各向异性膨胀,轴向的膨胀程度约为径向的2倍,膨胀系数(αCTE)与药柱中晶体的取向满足关系αCTE=(7.08+10.37×F)×10-5K-1,药柱的线膨胀系数随晶体取向增大而增大,而不同形貌的TATB晶体所压药柱的取向不同。因此,通过改变晶体形貌可以控制晶体取向,进而抑制药柱膨胀的各向异性,改善TATB炸药的形稳性。

中子衍射法测量TATB基PBX单轴压缩的内应力研究

1,3,5-三氨基-2,4,6三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药(PBX)的内应力是造成其贮存开裂和低应力破坏的重要原因。为了验证用中子衍射分析TATB基PBX内部应力的可行性,在中子残余应力谱仪(RSND)上水平安装2 kN双丝杆拉伸台,用原位中子应力测量技术测量了不同负荷状态下的内部应力的变化。结果表明,TATB晶体的(002)晶面(29°衍射角)和(412)晶面(75°衍射角)可作为中子应力观测晶面。中子衍射测量晶格间距的变化(点阵应变)与对其施加的应力呈近似线性增加的关系,随着应力的增加,点阵应变随之增加。在较为复杂的原位压缩加载/卸载过程中,晶格应变结果与复杂的应力变化过程基本保持一致。中子衍射信号强度随路径指数衰减,中子衍射深度6 mm。

F2311含量对TATB基PBX蠕变性能的影响

以TATB基高聚物粘结炸药(PBX)为原配方,制备了含氟弹性体(F2311)含量分别为0.05%、0.1%、0.2%、0.4%的4种改性配方,采用动态力学分析仪研究了F2311对PBX的三点弯曲蠕变性能影响。结果发现,加入0.4%的F2311使TATB基PBX的抗蠕变性能下降,减少F2311含量有利于提高其抗蠕变性能。含0.05%F2311的改性配方PBX在60℃/6 MPa下的蠕变应变略低于原配方。研究同时采用六元件模型对TATB基PBX及其改性配方的蠕变行为进行模拟。得到了蠕变曲线的本构方程,理论预测模型和试验数据吻合良好。根据时温等效原理,获得了TATB基PBX及其改性配方在参考温度30℃下的蠕变柔量主曲线,结果表明含0.05%F2311的TATB基PBX改性配方的长期抗蠕变性能优于原配方PBX。

粘结剂含量对热压TATB基PBX残余应力的影响

为了掌握粘结剂含量对高聚物粘结炸药(PBX)残余应力和宏观力学性能的影响规律,采用基于VKα靶的X射线衍射方法测试了F2314粘结剂含量为0~11%热压成型的TATB基PBX残余应力,采用巴西试验方法测试其宏观力学性能,并采用了TATB晶体-粘结剂包裹结构简化模型进行温度单一因素条件的残余应力数值模拟验证。实验结果表明:不含粘结剂的PBX,其残余应力为拉应力;随着PBX中粘结剂含量增加,残余应力逐渐减小,当粘结剂含量超过5%,其拉伸残余应力递减趋势增强;当粘结剂含量由7%增加到9%时,残余应力由拉应力转变为压应力;PBX力学强度随粘结剂含量增加而增强。残余应力模拟结果与实验结果具有相同变化趋势。

TATB基高聚物粘结炸药残余应力的测试和消除研究

以TATB基高聚物粘结炸药(PBX)为对象,采用盲孔法测定了PBX炸药的初始残余应力及其分布,研究了孔深和钻孔后应变读数时间对结果的影响,以及样品热处理后对残余应力松弛的影响。结果表明:孔深3 mm和钻孔后10 min的应变读数时间是适宜的实验参数。热处理能够明显降低和均化PBX炸药内部的残余应力,75℃热处理3天能消除50%的残余应力并趋于稳定。

TATB基高聚物粘结炸药及其粘结剂的玻璃化温度与DMA测量频率关系的研究

用动态力学分析 (DMA)方法 ,研究了四种TATB基PBX及其粘结剂 (氟聚物 )的测量频率与玻璃化温度的关系。结果显示 :在这四种氟聚物F2 314 、F2 311、F2 4 63 和F2 60 3中 ,只有F2 314 存在明显的二次转变 ,这是由于F2 314 分子中具有较多的C—Cl键所引起的。从测量频率与玻璃化温度之间的关系 ,得到PBX及其粘结剂的活化能数据。经比较发现 :TATB基PBX中 ,极高填充量的TATB颗粒的存在会对粘结剂链段的构象运动产生明显的限制作用。

HMX基和TATB基PBX爆轰波的拐角性能

为了研究HMX基和TATB基高聚物粘结炸药(PBX)爆轰波的拐角性能,采用蘑菇(Mushroom)试验测试了HMX基炸药(含95%HMX的PBX-Ⅰ,含85%HMX和7%TATB的PBX-Ⅱ)和TATB基炸药(含95%TATB的PBX-Ⅲ)在起爆直径7mm和10mm条件下的出射角、熄爆角及延迟时间。结果表明,在起爆直径7mm的情况下,PBX-Ⅰ的出射角(75.5°)略大于PBX-Ⅱ的出射角(74.4°),PBX-Ⅰ和PBX-Ⅱ的熄爆角均为90°,都能够发展为类似球形,显示HMX基PBX均有较好的拐角性能。在起爆直径10mm的情况下,PBX-Ⅱ的出射角为78.6°,熄爆角为90°,PBX-Ⅲ的出射角为16.1°,熄爆角为60.4°。对于HMX基PBX,随着起爆直径的增大,出射角增大。在HMX基PBX中加入TATB,出射角减小。当HMX全部用TATB代替,出射角显著减小,三种炸药的拐角性能优劣顺序为:PBX-Ⅰ>PBX-Ⅱ>PBX-Ⅲ。

石墨对TATB基PBX导热性能的影响

为有效调节TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的导热性能,利用闪光导热仪研究了石墨包覆方式(内包和外包)、温度及石墨含量对TATB基PBX导热系数的影响,应用Agari模型分析了TATB基PBX的导热机制。结果表明,添加高导热石墨可改善TATB基PBX的导热性能。常温下,由内包和外包1%(质量分数)石墨改性的TATB基PBX配方的导热系数分别为0.572 W·(m·K)-1和0.697 W·(m·K)-1,显示,外包石墨包覆方式比内包石墨包覆方式更好。与不含石墨的TATB基PBX相比,内包1%和外包1%石墨的TATB基PBX的导热性能分别提高4.76%和27.66%。随温度升高,TATB基PBX及其石墨改性配方的导热性能逐渐降低。随着石墨含量增加,外包石墨改性的TATB基PBX的导热性能升高。外包2%(质量分数)石墨可使TATB基PBX的导热系数提高至0.786 W·(m·K)-1。TATB基PBX及由内包石墨改性的配方的导热机制符合串联模型,而由外包石墨改性的配方的导热机制介于串联模型和并联模型之间。

苯乙烯共聚物改性TATB基PBX的抗热冲击性能

为改善TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的抗热冲击性能,采用苯乙烯共聚物对TATB基PBX进行改性。分析了TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的拉伸力学性能及热物理性能,并对改性前后配方的抗热冲击性能进行了比较。采用Agari串联模型对TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的导热行为进行了模拟。结果表明,加入高玻璃化转变温度和高力学强度的苯乙烯共聚物可以明显提高TATB基PBX的拉伸强度和弹性模量,同时降低线膨胀系数和导热系数。理论预测模型和试验数据吻合良好。添加质量分数为1%的苯乙烯共聚物后,常温下TATB基PBX的抗热应力因子由10.72 W·m^(-1)提高到13.16 W·m^(-1)。随着温度升高,TATB基PBX的抗热冲击性能逐渐下降。在玻璃化温度范围转变范围(323~343 K),TATB基PBX的抗热应力因子显著降低。加入苯乙烯共聚物可以抑制323~343 K温度范围内TATB基PBX的抗热应力因子的下降程度。

F2314/AS复合粘结剂与TATB界面作用的相关参数研究

为分析复合粘结剂的组成和配比对高聚物粘结炸药(PBX)界面作用的影响,基于不同理论模型,采用多个参数(参数A、β和有效体积分数φe)评估了氟树脂F2314/丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS)复合材料与1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)的界面作用。结果表明,F2314/AS复合粘结剂与TATB的界面作用与F2314和AS的相转变有关,随着温度升高呈现较大波动。TATB/F2314和TATB/AS复合材料的界面作用参数β值分别为0.969和0.840。20℃时炸药颗粒的有效体积分数φe和单个颗粒有效体积的相对值B随F2314含量增加而增加。随着F2314含量增加,PBX中TATB炸药颗粒和粘结剂的界面作用增强。

TATB和TATB／F_(2311)力学性能的MD模拟

用分子动力学(MD)方法,对钝感炸药TATB(1,3,5-三氨基-2,4,6三硝基苯)及其与氟橡胶(F2311)所构成的高聚物粘结炸药(PBX),在COMPASS力场中进行周期性模拟计算,求得其弹性系数、模量和泊松比,发现在TATB中添加少量氟橡胶(F2311)能有效改善其力学性能。

75℃下TATB基高聚物粘结炸药爆轰性能

为研究TATB基高聚物粘结炸药(PBX)在高温下的爆轰性能,采用标准隔板试验、电测法、ZWB253-2008标准方法和圆筒试验测试了其在25℃和75℃下的冲击波感度、爆速、爆压及比动能。结果表明,与25℃相比,75℃下TATB基PBX的冲击波感度和比动能增大,爆速降低,爆压无明显变化。

TATB基和CL-20基PBX炸药爆轰波拐角性能的实验研究

为研究TATB基和CL-20基PBX爆轰波的拐角性能,采用蘑菇(Mushroom)试验计算了含95%TATB基(PBX-Ⅰ)、CL-20基(PBX-Ⅱ)及添加了铝粉的CL-20基(PBX-Ⅲ)炸药药柱在起爆直径10mm和6mm条件下的出射角、熄爆角及延迟时间,讨论了3种PBX炸药的爆轰传播特征和拐角性能。结果表明,起爆直径为10mm时,PBX-Ⅰ的出射角和熄爆角(22.7°和31.9°)明显小于PBX-Ⅱ的出射角和熄爆角(均为90°);起爆直径为10mm和6mm时,PBX-Ⅱ和PBX-Ⅲ的出射角和熄爆角均为90°,都能够传播为类似球形。对于CL-20基PBX,随着铝粉的加入和起爆直径的减小,其炸药半球均能够达到可靠传爆状态,具有较好的拐角性能。TATB基PBX炸药药柱的出射角和熄爆角均显著减小,表明TATB基PBX炸药药柱的拐角性能较差。3种PBX炸药的拐角性能优劣顺序为:PBX-Ⅱ>PBX-Ⅲ>PBX-Ⅰ。

氟聚物黏结剂对TATB基PBX造型粉可压性的影响

为了探究氟聚物黏结剂对高聚物黏结炸药(PBX)造型粉可压性的影响,对3种不同黏结剂(F2311、F2313、F2314)的TATB基PBX造型粉进行压制成型试验,获得了PBX造型粉的压缩位移曲线;采用排水法和小角X射线散射技术(SAXS),得到了PBX成型样品的密度和孔隙率随温度的变化规律。结果表明,3种造型粉在载荷最大时的压缩位移与松装密度有关,松装密度越大,造型粉的压缩位移越小;PBX成型样品的密度和孔隙率均会在某个压制温度发生突变,TATB/F2311、TATB/F2313和TATB/F2314密度突变的温度分别为60、80和100℃;3种PBX成型样品的孔隙在3~5nm和30~50nm两个区域呈双峰分布,当压制温度高于突变温度时,40~50nm的孔隙明显降低。此外,建立了修正比能量可压性评价方法,对3种造型粉进行了可压性评价,获得的可压性系数与相对密度相关系数较好(0.9以上),验证了该方法的合理性和有效性。相同压制条件下,以F2311为黏结剂的TATB基PBX造型粉的可压性系数最大,可压性最好。