兵
ACTAARMAMENTARII
工学报
Vol.40No.1Jan.
2019
奥克托今/3鄄硝基鄄1,2,4鄄三唑鄄5鄄酮共晶炸药
晶体缺陷的分子动力学研究
杭贵云,余文力,王涛,王金涛,苗爽
(火箭军工程大学核工程学院,陕西西安710025)
摇摇摘要:为研究晶体缺陷对奥克托今(HMX)/3鄄硝基鄄1,2,4鄄三唑鄄5鄄酮(NTO)共晶炸药稳定性、感度、爆轰性能与力学性能的影响,分别建立了“完美冶型与含有掺杂、空位与位错缺陷的共晶炸药模型。采用分子动力学方法,预测了“完美冶型与缺陷模型的性能,得到了不同模型的结合能、引发键键长分布、键连双原子作用能、内聚能密度、爆轰参数与力学性能参数,并进行了比较。结果表明:由于晶体缺陷的影响,造成炸药结合能减小,稳定性变差;缺陷晶体的引发键最大键长增大,键连双原子作用能与内聚能密度减小,炸药感度升高,安全性减弱;缺陷晶体的密度、爆速与爆压减小,能量密度与威力降低;与“完美冶型晶体相比,缺陷晶体的拉伸模量、体积模量与剪切模量减小,柯西压力增大,炸药刚性与硬度减弱,柔性与延展性增强。
摇摇关键词:共晶炸药;晶体缺陷;稳定性;感度;爆轰性能;力学性能;分子动力学摇摇DOI:10.3969/j.issn.1000鄄1093.2019.01.007
摇摇中图分类号:TQ564郾4+2;O641郾3文献标志码:A文章编号:1000鄄1093(2019)01鄄0049鄄09
MolecularDynamicsInvestigationonCrystalDefectof
HMX/NTOCocrystalExplosive
(SchoolofNuclearEngineering,RocketForceUniversityofEngineering,Xi蒺an710025,Shaanxi,China)
HANGGuiyun,YUWenli,WANGTao,WANGJintao,MIAOShuang
Abstract:The“perfect冶anddefectivecocrystalmodelswithadulteration,vacancyanddislocationareestablishedtoinvestigatetheinfluenceofcrystaldefectonstability,sensitivity,detonationperformanceandmechanicalpropertyofoctahydro鄄1,3,5,7鄄tetranitro鄄1,3,5,7鄄tetrazocine(HMX)/3鄄nitro鄄1,2,4鄄triazol鄄5鄄one(NTO)cocrystalexplosive.Moleculardynamicsmethodisappliedtopredictthepropertiesoftheproposedcrystalmodels.Thebindingenergy,bondlengthdistributionoftriggerbond,interactionenergyoftriggerbond,cohesiveenergydensity,detonationparametersandmechanicalpropertieswereobtainedandcompared.Theresultsshowthatthebindingenergyofexplosiveisdeclinedanditsstabilitymodelisincreased,whiletheinteractionenergyoftriggerbondandthecohesiveenergydensityarede鄄detonationvelocityanddetonationpressureofdefectivecrystalmodelaredeclined,indicatingthattheener鄄
摇摇收稿日期:2018鄄05鄄09
isweakenedduetotheinfluenceofcrystaldefect.Themaximumtriggerbondlengthofdefectivecrystalcreased,meaningthatthesensitivityofexplosiveisincreasedanditssafetyisworsened.Thedensity,gydensityandpowerarelessened.Comparedwiththe“perfect冶crystalmodel,thetensilemodulus,bulk
基金项目:武器装备预先研究项目(403020302)
作者简介:杭贵云(1989—),男,博士研究生。E鄄mail:1910319052@qq.com通信作者:余文力(1967—),男,教授,博士生导师。E鄄mail:wlyu888@sina.com
50
兵摇工摇学摇报
namely,therigidityandstiffnessaredeclinedandtheplasticpropertyandductilityareincreased.第40卷
modulusandshearmodulusofdefectivecrystalmodelaredecreasaed,andCauchypressureisincreased,Keywords:cocrystalexplosive;crystaldefect;stability;sensitivity;detonationperformance;mechani鄄
calproperty;moleculardynamics
0摇引言
奥克托今(HMX)是一种常见的高能炸药,也是目前综合性能最好的单质炸药之一,因此长期以来备受关注。但HMX的机械感度较高,从而导致其发展(NTO)应用受到限制。3鄄硝基鄄1,2,4鄄三唑(RDX),是一种高能钝感炸药鄄5鄄酮(TATB)感度与1,3,5鄄三氨,基能量接近于黑索今鄄2,4,6鄄三硝基苯料性能的有效途径相当。近年来。2013年,Lin,并在含能材料领域得到发展应,共晶成为一种改善含能材用
[1-4]
炸药的性能,结果表明等
[5]
研究了HMX/NTO共晶
,HMX/NTO共晶炸药的感度低于HMX,安全性较好,且共晶具有较高的能量密度。因此,HMX/NTO共晶炸药有望成为一种新型高能炸药中会存在杂质成分HMX。
通常采用改进型乙酸酐法制备RDX.在HMX/NTO共晶炸药,在产物
制备过程中,RDX也会进入到共晶炸药中,从而导致制备的炸药不纯,即存在掺杂缺陷。此外,在晶体的生长过程中,由于外界因素的干扰,晶体的生长过程可能会受到影响,从而使晶体中存在缺陷。晶体缺陷的存在会影响炸药的性能,如稳定性、感度、能量特性与力学性能等,从而进一步影响武器弹药的威力与安全性[6-10]对炸药性能的影响,具有一定的军事意义与实际。因此,研究晶体缺陷应用价值。
本文分别建立了“完美冶型与含有晶体缺陷(掺杂、空位与位错)的HMX/NTO共晶炸药模型。在材料MS软件计算)中软,采用分子动力学方法件MaterialsStudio7郾0(以下简称型的稳定性、感度、爆轰性能与力学性能并进行了比,预测了各种模
较。研究成果可以为炸药的性能评估提供相关的理论指导。
1摇计算模型与计算方法
1郾1摇尔比为HMX单个分子的建立
1颐1./NTO在共晶炸药由MS软件中,分别建立HMX与NTOHMX组成与NTO,摩
的分子模型,如图1所示。
图1摇HMX与NTO的分子模型
1郾摇
Fig.1摇MoleculestructuresofHMXandNTO
2摇HMX/NTO共晶初始模型的建立
本文中使用的HMX/NTO共晶炸药初始结构为模拟结构。HMX/NTO共晶炸药属于三斜晶系,0郾空间群为P侃,晶格参数a=0郾9060nm,b=
酌8190nm,c=1郾0270nm,琢=81郾94毅,茁=98郾42毅,NTO=82郾如图分子03毅,单个晶胞中包含2个HMX分子与2个[5]2(a)所示。HMX,而后将单个晶胞模型扩展为/NTO共晶炸药的单个晶胞模型3伊3)的超晶胞模型,其中包含个分子72,如图个HMX2(b)分子与36(4伊为了便于与含有晶体缺陷的模型进行比较72个NTO分子,一共144,将所示“完。美冶型晶体模型记作模型1.
图2摇HMX/NTO共晶炸药的单个晶胞与超晶胞模型Fig.2摇Single摇
cocrystalunitexplosive
cellandsupercellofHMX/NTO
1郾3摇HMX/NTO共晶缺陷模型的建立
HMX用分子4个(图RDX3(a)分子替换中标记为黄色“完美冶3(b)),型晶体中的所示得到掺杂率为4个
陷模型标记为模型2郾78%的缺陷晶体模型2.
,如图,将所得缺
类似地,分别用6个RDX分子替换初始模型中的6个HMX分子,用8个RDX分子替换8个HMX
摇第1期奥克托今/3鄄硝基鄄1,2,4鄄三唑鄄5鄄酮共晶炸药晶体缺陷的分子动力学研究51
图3摇初始晶胞模型与含有掺杂缺陷的晶胞模型
Fig.3摇Initialwithadulteration
crystalmodelanddefectivecrystalmodel
摇
分子,得到掺杂率分别为4郾17%、5郾56%的缺陷晶体模型,分别标记为模型3、模型4.
删除超晶胞模型中的4个HMX分子(图4(a)中标记为黄色),得到空位率为2郾78%的缺陷晶体模型,如图4(b)所示,将缺陷晶体模型标记为模型5.
图4摇初始晶胞模型与含有空位缺陷的晶胞模型
Fig.4摇Initialwithvacancy
crystalmodelanddefectivecrystalmodel
摇
NTO采用同样的方法,分别删除初始模型中的4个
子、8分子个NTO、2个分子HMX、4与个2HMX个NTO与4分子个、8NTO个分子HMX,分将所得空位缺陷的模型分别标记为模型6~模型10.
将初始模型中最上层的HMX分子(图5(a)中标记为黄色)向上方移动0郾2nm的距离,得到含位错缺陷的晶体模型,如图5(b)所示,将缺陷晶体模型标记为模型11.
类似地,将初始模型中最上层的HMX分子向下方移动0郾2nm的距离,得到位错缺陷晶体模型,标记为模型12.
1郾4摇计算条件设置
分别对HMX/NTO共晶炸药的“完美冶型与含有晶体缺陷的模型进行能量最小化,对其结构进行295优化K,,而后进行分子动力学计算压力设置为0郾0001GPa,,其中温度设置为
(NPT)系综与COMPASS力场[11-12]选。择之所以选择恒温恒压图5摇初始晶胞模型与含有位错缺陷的晶胞模型
Fig.5摇Initial摇
withdislocation
crystalmodelanddefectivecrystalmodel
COMPASS适用于凝聚相和不同类型物质相互作用的研究力场进行分子动力学模拟,是因为该力场,能在较大范围内对处于孤立体系和凝聚态体系的多种物质的性能进行准确预测。采用Andersen控温方法[13]与Parrinello控压方法[14]算采用atom鄄based方法,静电作用的计算采用,范德华力(vdW)Ewald的计10方法,时间步长为1fs,总模拟步数为2伊105步,其中前
5步用于热力学平衡计算,后105步用于统计分析。模拟过程中,每103迹文件。
fs保存一次轨迹,共得100帧轨2摇结果分析
2郾1摇HMX/NTO共晶的晶胞参数
表1给出了“完美冶型的HMX/NTO共晶模型在295K下NPT模拟所得晶胞参数和密度。为方便比较,表1中还给出了理论计算结果。从表1可以看出,计算得到的HMX/NTO晶胞参数、密度与理论值非常接近,吻合较好,表明COMPASS力场对HMX/NTO晶体具有较好的适用性。
表1摇HMX/NTO晶胞参数与密度的计算值
与理论值
Tab.1摇Calculatedlatticeparametersandtheoreticalanddensity
resultsofHMX/NTO
参数理论值[5]计算值a/nm0郾90600郾9065b/nm0郾81900郾8194c/nm1郾02701郾0276琢/(毅)81郾9481郾87茁/(毅)98郾4298郾48酌/(毅)82郾0382郾10籽/(g·cm-3)
1郾920
1郾917
52
兵摇工摇2郾2摇平衡判别和平衡结构
在提取计算结果时,需要让体系达到平衡状态,
而体系平衡时必须同时满足温度平衡与能量平衡。通常认为当温度与能量波动范围在5%~10%时,体系已经达到热力学平衡状态。
以掺杂率为4郾17%的缺陷模型(模型3)为例,模拟过程中混合体系的温度T变化曲线与能量E随时间t变化曲线,如图6所示。
图6摇温度与能量的变化曲线
摇
Fig.6摇Temperatureandenergyversustime
从图6可以看出:在模拟计算初期,体系的温度
与能量均有所上升,并且波动幅度较大;随着时间的推移,温度与能量的波动幅度逐渐减小,最终温度波动幅度为依15K左右,能量波动幅度为依5%左右,偏差相对较小,表明混合体系已达到热力学平衡状态。对于其他晶体模型,分子动力学计算时,均以温度与能量变化曲线来判别混合体系是否达到平衡状态。
2郾3摇结合能
结合能E值,主要用来预测体系的稳定性b定义为分子之间相互作用力E。结合能越大,i的负表明分子之间的相互作用力越强,体系的稳定性越好。
学摇报
第40卷
对于HMX/NTO共晶及其缺陷晶体炸药,结合
能的计算公式为
E式中:Eb=-Ei=-[Etot-(ENTO+Eo)],
(1)
总能量;tot为混合体系达到热力学平衡状态时对应的ENTO为去掉体系中的其他组分后,NTO分子对应的总能量;E体系中的HMXo为去掉晶体模型中的NTO分子后,与其他组分对应的总能量。
根据分子动力学计算得到的各组分能量,通过计算得到不同模型的结合能,结果如图7所示。
图7摇不同模型的结合能
Fig.7摇Bindingenergiesofdifferentcrystalmodels
从图7可以看出:“完美冶型晶体模型(模型1)对应的结合能最大NTO(362郾7kJ/mol),好;缺陷晶体的结合能均有不同程度的减小分子之间的相互作用力最强,炸药的稳定性最表明HMX与,其中掺杂(351郾缺陷结合能最小6kJ晶/mol),体模(313郾而空位缺陷晶体模型型(模型2)的结9kJ/mol),结合能减小的幅度为
(合模型能最8)大的3郾掺杂缺陷对结合能的影响相对较小06%~13郾45%.同时,结合能的变化趋势也表明,而空位缺陷对结合能的影响最大。此外,从图7还可以看出,对于同种类型的晶体缺陷,随着缺陷数量的增加,结合能逐渐减小,表明分子之间作用力的强度逐渐减弱,炸药的稳定性逐渐减弱,即晶体缺陷会对炸药的稳定性产生不利影响。结合能减小的原因可能是由于缺陷的影响,晶体的结构遭到破坏,分子的排列方式发生了变化,从而使分子之间的作用力减弱。
2郾4摇感度
感度定义为含能材料在受到外界刺激时发生分解或者爆炸的难易程度,是含能材料安全性的指标,也是含能材料最重要的性能之一。目前,国内外通常采用试验测试与理论分析的方法来预测含能材料的感度。根据热点理论[15]与引发键思想[16]参考以往的研究工作[17-21],同时长、引发键键连双原子作用能与内聚能密度,本文中选用引发键键(CED)
摇第1期奥克托今/3鄄硝基鄄1,2,4鄄三唑鄄5鄄酮共晶炸药晶体缺陷的分子动力学研究53
2郾来预测炸药的感度4郾1摇所谓引发键引发键键长
,并评价其安全性。
,是指含能材料中能量最低、最容易
发生断裂的化学键。在外界刺激下,引发键更容易发生断裂破坏,从而使含能材料发生分解或爆炸。在HMX/NTO共晶及其缺陷晶体中,HMX所占的比重最高,而HMX的引发键是N—NO键[16,22-23]。因此,选择HMX分子中的2键中的N—N为引发键来预测体系的感度。
N—N键作
以模型5为例,图8给出了体系达到平衡状态时引发键的键长分布情况,其中L为键长,P为键长的分布概率。在热力学平衡状态下,不同模型中引发键的最可几键长Lp、平均键长La与最大键长L如表2所示。
max图8摇引发键的键长分布
摇
Fig.8摇Bondlengthdistributionoftriggerbond
表2摇不同模型中引发键的键长
Tab.2摇TriggerbondLlengthsofdifferentcrystalmodels
模型1p/nm
20郾0郾La/nm
L0郾max30郾1390郾139550郾1390郾154/nm450郾13950郾139450郾1553160郾1390郾13940郾155270郾13950郾1390郾15580郾139660郾13950郾15890郾13970郾139560郾15825109
0郾1390郾13960郾1591110郾13970郾1390郾160120郾139760郾13980郾139770郾15940郾139139660郾139139560郾159840郾15715707
摇(N—NO摇从图8可以看出,在平衡状态下,体系中引发键
2键)的键长分布呈近似对称的高斯分布。
从表2可以看出,对于“完美冶型与含有晶体缺陷的模型,最可几键长与平均键长近似相等,并且变化范围很小,表明晶体缺陷对最可几键长与平均键长的影响很小,而最大键长变化很明显,且不同模型之间差异较大。“完美冶型晶体(模型1)的最大键长最小(0郾1543nm),而缺陷晶体的最大键长均大于初始模型对应的键长值,其中掺杂缺陷模型(模型2)的键(长最小(0郾1551nm),而空位缺陷模型体相比模型8),最大键长的增大幅度为的键长最大(0郾1604nm),0郾52%与“完美~3郾冶95%.型晶最大键长增大,表明引发键的键能降低,预示含能材料的感度增大,安全性降低,即晶体缺陷使得炸药的感度升高。此外,表2也表明,空位缺陷的晶体模型对应的引发键键长最大,且随着缺陷数量的增加,最大键长逐渐增大,即炸药的感度逐渐升高,安全性逐2郾渐降低4郾2摇。
键连双原子作用能主要用来反映键的强度键连双原子作用能,键
连双原子作用能越大,表明键的强度越大,键断裂时需要的能量越多,含能材料的感度越低,安全性越好。
键连双原子作用能EEN-N的计算公式为
式中:EN-N=(ET-EF)/n,(2)
量;ET为体系达到热力学平衡状态时对应的总能F为固定晶体中HMX分子中所有的N原子后体系的总能量;n为体系中HMX分子包含的N—N键的数量。
通过计算,得到不同模型的键连双原子作用能,如图9所示。
图9摇不同模型的键连双原子作用能
Fig.9摇Interactionenergiesoftriggerbondsofdifferentmodels
从图9可以看出,在不同的晶体模型中,键连双原子作用能的差异较大。其中,“完美冶型晶体模型(模型1)的键连双原子作用能最大
54
兵摇工摇(160郾均小于77“完美kJ/mol),冶型晶体模型对应的键的能量而缺陷晶体的键连双原子作用能
。在缺陷晶体(156郾最小(135郾57中kJ,53/掺mol),杂缺kJ/mol),而空位缺陷模型陷模型(模型2)的键能最大键连双原子作用能减小的幅(模型9)的键能度为2郾61%~15郾70%.键连双原子作用能减小,表明键的强度减弱,键断裂时需要的能量减小,即含能材料的感度增大,安全性降低。由此可见,晶体缺陷会对炸药的安全性产生不利影响。此外,空位缺陷的模型对应的键连双原子作用能最小,键的强度最弱,感度最高,且随着缺陷数量的增加,键的能量逐渐降低,预示空位缺陷对炸药的感度影响更为显著。之前的研究也表明,由于空位缺陷的影响,在晶体内部容易形成“热点冶,从而使含能材料的感度升高,2郾安全性降低
[6,24-25]
4郾3摇CEDCED定义为单位体积内计算。
为气态时克服分子间作用力所做的功1mol物质由凝聚态变
。CED属于非键力,在数值上等于vdW与静电力之和。
根据计算结果,得到不同模型的CED、vdW与静电力,结果如表3所示。
表3摇不同模型的CED、vdW与静电力
Tab.3摇CEDdifferent,vdWmodels
andelectrostaticforcesof
模型CED/(kJ·cm-31vdW/(kJ·cm-3)静电力20郾)
0郾/(kJ·cm-30郾)
30郾8830郾8720郾2522480郾631450郾8670郾60郾8530郾2460郾62470郾8360郾2380郾62180郾8210郾2280郾6150郾8250郾2220郾608109
0郾8080郾2240郾599110郾7970郾2140郾601120郾8130郾2080郾5940郾845846
0郾2170郾5890郾234235
0郾5960郾611611
1)摇摇从表3可以看出,“完美冶型晶体模型(模型
0郾陷晶体的能量均有不同程度的减小883的能kJ量/cm最3高、0郾,其252中kJCED、vdW/cm3、0郾631与静电力分别为。kJ在缺陷晶体/cm3,而缺中(0郾,掺872杂kJ缺/cm陷),模而空位缺陷模型型(模型2)对(应模型的CED9)的最CED
大3学摇报
第40卷
9郾最小(0郾797kJ/cm3),CED减小的幅度为1郾25%~
吸收的能量减小74%.CED减小,预示炸药的感度增大,表明炸药由凝聚态变为气态时,安全性降低CED。此外最低,,表且随着缺陷数量的增加3也进一步表明,空位缺陷晶体模型的表明炸药的感度逐渐增大,安全性呈下降趋势,CED逐渐减小。,2郾5摇爆轰性能
爆轰性能是含能材料威力与能量密度的直接体现,也是武器弹药毁伤效果的直接反映,通常用爆轰参数进行表征。常见的爆轰参数主要有爆速D与爆压p等。本文中采用修正氮当量法[26]来计算炸药的爆轰参数并预测其能量密度。爆速D与爆压p的计算公式为
ìïD=(690+1160籽)ïïíï
p=1郾106(籽)
ï移N移Nch2c,-0郾84,ïî移Nc=100Mr
(
diNdi+移BKNBK+移GjNGj),
式中:移N(3)
c为炸药的修正氮当量;di为1mol炸药爆炸时生成第i种爆轰产物的摩尔数;NBdi为第i种爆轰产物的氮当量系数;K为炸药分子中第K种化学键出现的次数;NBK为第K种化学键的氮当量系数;Gj为炸药分子中第j种基团出现的次数;Nj种基团的氮当量系数。
Gj为第根据修正氮当量理论,通过计算得到不同模型的爆轰参数,结果如表4所示,其中炸药密度可以根据分子动力学计算结果从平衡体系中直接提取得到。
表4摇不同模型的爆轰参数
Tab.4摇DensityanddetonationparametersD/(m·s-1ofdifferentmodels
模型籽/(g·cm-3121郾)8)p31郾917897037郾/GPa41郾897889636郾6851郾891887436郾8636郾6161郾8831郾832884434郾28781郾862865635郾261郾859878535郾59109
1郾802876333郾39111郾811853833郾03121郾81886131郾881904
861733郾718842924
36郾8137郾2516
摇摇从表4可以看出,对于不同的晶体模型,“完
摇第1期奥克托今/3鄄硝基鄄1,2,4鄄三唑鄄5鄄酮共晶炸药晶体缺陷的分子动力学研究55
美冶型晶体模型(模型1)对应的密度、爆速与爆压最大,分别为1郾917g/cm3、8970m/s、37郾68GPa,表明“完美冶型晶体的威力最大,能量密度最高。在缺陷晶体中,位错缺陷模型(模型12)的密度、爆速与爆
3
摇摇体积模量K与剪切模量G的计算公式为
3(S44+S55+S66)]-1,
GR=15[4(S11+S22+S33)-4(S12+S23+S31)+
KR=[S11+S22+S33+2(S12+S23+S31)]-1,(5)
(6)
压最大,分别为1郾904g/cm、8924m/s、37郾16GPa,而空位缺陷模型(模型8)的密度、爆速与爆压最小,分别为1郾802g/cm3、8538m/s、33郾03GPa,密度、爆0郾51%~4郾82%、1郾38%~12郾34%.密度、爆速与爆压减小,表明炸药的威力减小,能量密度降低,因此晶体缺陷会对炸药的能量特性产生不利影响。此外,在3种类型的晶体缺陷中,空位缺陷模型对应的密度、爆速与爆压最小,表明其能量密度最低,也进一步表明空位缺陷对能量密度的影响更为显著。在缺陷晶体中,随着缺陷数量的增加,炸药的密度、爆2郾6摇力学性能
速与爆压逐渐减小,能量密度逐渐降低。
力学性能主要包括拉伸模量E、剪切模量G、体速与爆压的减小幅度分别为0郾68%~6郾00%、
式中:下标R表示Reuss平均;柔量系数矩阵S=[Sij]等于弹性系数矩阵C的逆矩阵,即S=C-1=[Cij]-1.
力学参数之间存在如(7)式的关系:
E=2G(1+酌)=3K(1-2酌).
的表达式为
E=酌=
(7)
基于(7)式,可以求得拉伸模量E与泊松比酌
9GK
,3K+G
(8)(9)
通过计算,得到不同模型的力学性能参数,结果如表5与图10所示。
从表5与图10可以看出:“完美冶型模型(模型1)的拉伸模量、体积模量与剪切模量的值最大,分别为14郾441GPa、8郾773GPa、5郾891GPa,而柯西压的值最小(0郾198GPa),表明炸药的刚性最强,延展性与塑性较差;对于缺陷晶体,由于炸药的晶体结构发生了变化,E、K、G减小,而柯西压增大,表明炸药的刚性与硬度减弱,延展性与塑性增强。在外界作用下,炸药更容易发生形变。在缺陷晶体中,掺杂缺陷模型(模型2)对应的E、K、G最大,分别为13郾853GPa、8郾518GPa、5郾634GPa,而空位5郾687GPa、3郾801GPa.因此,空位缺陷对炸药力学缺陷模型(模型10)的模量最小,分别为9郾325GPa、
3K-2G
.
2(3K+G)
积模量K、泊松比酌与柯西压C12鄄C44,其中E、K、G
主要用来预测体系的刚性与硬度,其值越大,表明体系的刚性越强,硬度越大。柯西压力主要反映体系的延展性,柯西压力为正值,表明体系的延展性较好;柯西压力为负值,表明体系呈脆性。
力学参数可通过弹性系数矩阵进行描述,表达式[27-28]为
滓i=Cij着j,i,j=1,2,…,6,
(4)
式中:滓为应力;着为应变;Cij为弹性系数,满足Cij=向同性体,独立的弹性常数只有2个(C11,C22)。
Cji,因此独立的弹性常数只有21个,对于完全的各
模型123456781011129
C11/GPa16郾89816郾73016郾40215郾57414郾73315郾23615郾18514郾51414郾63013郾92914郾03816郾017
C22/GPa16郾32316郾41116郾21715郾73113郾97814郾73015郾02314郾30814郾21312郾62313郾47115郾548
Tab.5摇Elasticcoefficientsandmechanicalpropertiesofdifferentcrystalmodels
C33/GPa14郾91915郾11714郾90214郾46713郾10413郾66114郾83011郾77312郾87510郾31811郾97215郾003
C44/GPa7郾1386郾8066郾9226郾6165郾6365郾9526郾1304郾7365郾1174郾4274郾4186郾517
C55/GPa7郾0216郾8186郾8306郾5236郾0035郾7835郾9365郾7305郾8535郾1385郾4346郾635
C66/GPa5郾2325郾4085郾1955郾0025郾1475郾2455郾1135郾1135郾0044郾0254郾3705郾334
C12/GPa7郾3367郾2127郾1877郾0986郾1096郾4126郾8185郾5826郾3495郾1745郾3337郾230
摇摇表5摇不同模型的弹性系数与力学参数
C13/GPa7郾0256郾9276郾9696郾4265郾3485郾9176郾4384郾7084郾9784郾5264郾4196郾618
C23/GPa6郾9177郾0046郾7686郾5185郾5156郾1156郾0235郾1365郾9174郾8355郾2116郾427
56
兵摇工摇学摇报
C15/GPa0郾0980郾126-0郾207-0郾3020郾1080郾1200郾121
C25/GPa-0郾1060郾0340郾315-0郾2260郾1580郾2080郾310-0郾1960郾2350郾2300郾2690郾112
C35/GPa-0郾2300郾2180郾1680郾1170郾150-0郾0590郾0390郾2280郾313
C46/GPa0郾0440郾115
E/GPa
酌
K/GPa8郾7738郾5188郾1197郾703
G/GPa5郾8915郾6345郾5045郾1494郾8344郾8724郾9334郾5144郾5333郾8014郾2525郾251
第40卷
续表5摇
模型123456781011129
14郾44113郾85313郾46812郾63211郾86011郾94312郾11311郾06011郾14810郾44312郾8769郾325
0郾2260郾2290郾2230郾2270郾2270郾2260郾2280郾2250郾2300郾2270郾2280郾226
C12鄄C44/GPa0郾1980郾4060郾2650郾4820郾4730郾4600郾6880郾8461郾2320郾7470郾9150郾713
-0郾212-0郾1820郾0360郾1240郾1570郾168-0郾215-0郾0980郾1760郾149
7郾2327郾2567郾4156郾7066郾8715郾6876郾3937郾834
-0郾215-0郾118-0郾1140郾1770郾111
-0郾020-0郾0450郾303
表明炸药的感度增大,安全性减弱,其中空位缺陷晶体的感度最高。随着晶体缺陷数量的增加,炸药的感度逐渐增大,安全性逐渐减弱。
3)缺陷晶体的密度、爆速与爆压减小幅度分别
12郾34%,表明其威力减小,能量密度降低,其中空位缺陷晶体的能量密度最低,预示空位缺陷对能量密度的影响更为显著。随着缺陷数量的增加,炸药的密度与爆轰参数逐渐减小,能量密度逐渐降低。
Fig.10摇Mechanicalpropertiesofdifferentcrystalmodels
图10摇不同模型的力学性能参数
为0郾68%~6郾00%、0郾51%~4郾82%、1郾38%~
摇
减小,柯西压增大,表明炸药的刚性减弱,柔性与延展性增强,其中空位缺陷晶体的模量最小,掺杂缺陷晶体的模量最大,即空位缺陷对力学性能的影响更加显著,而掺杂缺陷的影响相对较小。
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4)缺陷晶体的拉伸模量、体积模量与剪切模量
性能的影响更为显著。此外,从图10还可以看出,对于同种类型的晶体缺陷(掺杂、空位),随着缺陷数量的增加,E、K、G逐渐减小,而柯西压呈现出增大的变化趋势,预示炸药的刚性减弱,塑性与延展性增强。
3摇结论
本文采用分子动力学方法,分别预测了“完美冶型与含有晶体缺陷的HMX/NTO共晶炸药的稳定性、感度、爆轰性能与力学性能,研究并评估了晶体缺陷对炸药性能的影响情况。得出以下结论:
1)由于晶体缺陷的影响,结合能减小幅度为
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3郾06%~13郾45%,分子之间的作用力减弱,炸药的稳定性降低。空位缺陷晶体的结合能最小,稳定性最差,且随着缺陷数量的增加,炸药的稳定性逐渐减弱。
2)与“完美冶型晶体相比,缺陷晶体的引发键键
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CED分别减小2郾61%~15郾70%、1郾25%~9郾74%,
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