三类炸药晶体冲击引发分解机理的从头算分子动力学研究

运用从头算分子动力学和多尺度冲击相结合的方法,对三类典型炸药晶体奥克托今(HMX)、1,3,5-三氨基2,4,6-三硝基苯(TATB)和太安(PETN)实施冲击加载下的模拟研究。结果表明,HMX中的N—O键、TATB中的N—O键以及PETN中的C—O键优先断裂。随着时间推移,他们体系中电子离域性增加;价带和导带间的带隙逐渐减小;接着开始出现金属态并不断变多。在冲击加载下,TATB、HMX和PETN晶体引发断裂化学键所需时间依次减小的顺序,恰与它们冲击波感度依次增大的实验顺序相一致。这表明,它们的结构和引发分解机理与冲击波感度之间有规律性联系。

冲击加载下环三亚甲基三硝胺的初始动态响应及反应机理

当前,对暴露于极端环境中的含能材料的相对安全性的关注日益增加.理解含能材料在冲击加载下的初始分解机理是探索新型高能顿感材料的基础.本文利用多尺度冲击技术(multi-scale shock technique,MSST)结合反应力场(ReaxFF)分子动力学的方法研究冲击加载下环三亚甲基三硝胺(RDX)的完美晶体和分子空位晶体的初始动态响应及反应机理,计算了可能参与反应的原子间径向分布函数,分析了不同冲击速度及分子空位缺陷对冲击加载过程的影响.结果表明:在冲击加载下,完美RDX晶体和空位RDX晶体的初始分解方式均为首先发生N-NO_(2)键断裂,随后是C-N键的断裂.此外,还可能会出现C-H键断裂,并有氢转移到硝基中的氧原子上形成HONO.随着冲击速度的增加,两种RDX晶体的化学键断裂数目增多,反应更强烈.分子空位缺陷的存在增强了N-NO_(2)的反应活性,使其更易发生断裂,进而加速空位RDX晶体的初始反应.

冲击波下固相HMX的初始反应机理

通过Car-Parrinello软件包,利用分子动力学方法及多尺度冲击技术(MSST)研究固相HMX晶体在冲击波加载下的分解过程。结果显示,冲击下固相HMX的初始分解路径与冲击波速度有关,在8km/s的低冲击下,分解反应源于N-NO2键的断裂。然而,值得注意的是,当冲击波速度提升到11km/s时,本文中的模拟结果却是C-H反而先于N-NO2断裂,同时伴随大量H离子转移。模拟结果反映出固相HMX在冲击作用下初始起爆反应过程的新机理,为在极端高温高压条件下含能材料的理论及实验研究提供宝贵的参考数据,同时对研制预测和开发更高性能的炸药也具有重要意义。

热和冲击波耦合作用下CL-20/TNT共晶响应的分子动力学模拟

为了进一步认识多重外界刺激共同作用下含能共晶的响应机理,采用基于反应力场ReaxFF的分子动力学方法结合多尺度冲击技术(MSST),研究了热和冲击波耦合作用下CL-20/TNT共晶冲击响应机理;构建了常温CL-20/TNT共晶模型以及两个预加热CL-20/TNT共晶模型,以速度为5~9km/s的冲击波作用于常温及预加热共晶模型;对温度变化、反应物衰减、产物生成、团簇演化等方面进行了对比分析。结果表明,预加热作用能够使得系统被更大程度地压缩,导致系统获得更高的温度,从而让反应物衰减速率更快,6km/s的冲击波作用下,50ps时未经预热的常温系统CL-20剩余98%,经500K温度预加热的系统CL-20剩余73%,经800K温度预加热的系统CL-20剩余27%,并使得系统在反应初期生成的产物种类更加丰富、数量更多。从团簇演化情况可以发现,预加热能够使得系统各个演化阶段更早出现。表明预加热能够增加冲击波对含能共晶的作用强度,这种增加作用在低速冲击波加载时更加明显。

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(Reax FF-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.