奥克托今3硝基124三唑5酮共晶炸药晶体缺陷的分子动力学研究

第40卷第1期2019年1月
兵
工学报
ACTA ARMAMENTARII
Vol.40No.1Jan.
2019
奥克托今/3⁃硝基⁃1,2,4⁃三唑⁃5⁃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)
摘要:为研究晶体缺陷对奥克托今(HMX )/3⁃硝基⁃1,2,4⁃三唑⁃5⁃酮(NTO )共晶炸药稳定性㊁感度㊁爆轰性能与力学性能的影响,分别建立了 完美”型与含有掺杂㊁空位与位错缺陷的共晶炸药模型㊂采用分子动力学方法,预测了 完美”型与缺陷模型的性能,得到了不同模型的结合能㊁引发键键长分布㊁键连双原子作用能㊁内聚能密度㊁爆轰参数与力学性能参数,并进行了比较㊂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㊁爆速与爆压减小,能量密度与威力降低;与 完美”型晶体相比,缺陷晶体的拉伸模量㊁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㊂
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 中图分类号:TQ564.4+2;O641.3文献标志码:A 文章编号:1000⁃1093(2019)01⁃0049⁃09
DOI :10.3969/j.issn.1000⁃1093.2019.01.007
收稿日期:2018⁃05⁃09
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㊂E⁃mail:1910319052@ 通信作者:余文力(1967 ),男,教授,博士生导师㊂E⁃mail:wlyu888@
Molecular Dynamics Investigation on Crystal Defect of
HMX /NTO Cocrystal Explosive
HANG Guiyun,YU Wenli,WANG Tao,WANG Jintao,MIAO Shuang
(School of Nuclear Engineering,Rocket Force University of Engineering,Xi’an 710025,Shaanxi,China)
Abstract :The perfect”and defective cocrystal models with adulteration,vacancy and dislocation are established to investigate the influence of crystal defect on stability,sensitivity,detonation performance and mechanical property of octahydro⁃1,3,5,7⁃tetranitro⁃1,3,5,7⁃tetrazocine (HMX)/3⁃nitro⁃1,2,4⁃triazol⁃5⁃one (NTO)cocrystal explosive.Molecular dynamics method is applied to predict the properties of the proposed crystal models.The binding energy,bond length distribution of trigger bond,interaction energy of trigger bond,cohesive energy density,detonation parameters and mechanical properties were obtained and compared.The results show that the binding energy of explosive is declined and its stability is weakened due to the influence of crystal defect.The maximum trigger bond length of defective crystal model is increased,while the interaction energy of trigger bond and the cohesive energy density are de⁃creased,meaning that the sensitivity of explosive is increased and its safety is worsened.The density,detonation velocity and detonation pressure of defective crystal model are declined,indicating that the ener⁃
gy density and power are pared with the perfect”crystal model,the tensile modulus,bulk
兵　工　学　报第40卷modulus and shear modulus of defective crystal model are decreasaed,and Cauchy pressure is increased, namely,the rigidity and stiffness are declined and the plastic property and ductility are increased. Keywords:cocrystal explosive;crystal defect;stability;sensitivity;detonation performance;mechani⁃cal property;molecular dynamics
0　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㊂但HMX的机械感度较高,从而导致其发展应用受到限制㊂3⁃硝基⁃1,2,4⁃三唑⁃5⁃酮
(NTO)是一种高能钝感炸药,能量接近于黑索今(RDX),感度与1,3,5⁃三氨基⁃2,4,6⁃三硝基苯(TATB)相当㊂近年来,共晶成为一种改善含能材料性能的有效途径,并在含能材料领域得到发展应用[1-4]㊂2013年,Lin等[5]研究了HMX/NTO共晶炸药的性能,结果表明,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㊂因此,HMX/NTO共晶炸药有望成为一种新型高能炸药㊂
HMX通常采用改进型乙酸酐法制备,在产物中会存在杂质成分RDX.在HMX/NTO共晶炸药制备过程中,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㊂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㊂晶体缺陷的存在会影响炸药的性能,如稳定性㊁感度㊁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]㊂因此,研究晶体缺陷对炸药性能的影响,具有一定的军事意义与实际应用价值㊂
本文分别建立了 完美”型与含有晶体缺陷(掺杂㊁空位与位错)的HMX/NTO共晶炸药模型㊂在材料计算软件Materials Studio7.0(以下简称MS软件)中,采用分子动力学方法,预测了各种模型的稳定性㊁感度㊁爆轰性能与力学性能并进行了比较㊂研究成果可以为炸药的性能评估提供相关的理论指导㊂
1　计算模型与计算方法
1.1　单个分子的建立
HMX/NTO共晶炸药由HMX与NTO组成,摩尔比为1∶1.在MS软件中,分别建立HMX与NTO 的分子模型,如图1所示
㊂
图1　HMX与NTO的分子模型
Fig.1　Molecule structures of HMX and NTO
1.2　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㊂HMX/NTO共晶炸药属于三斜晶系,空间群为Pī,晶格参数a=0.9060nm,b= 0.8190nm,c=1.0270nm,α=81.94°,β=98.42°,γ=82.03°,单个晶胞中包含2个HMX分子与2个NTO分子[5]㊂HMX/NTO共晶炸药的单个晶胞模型如图2(a)所示,而后将单个晶胞模型扩展为36(4×3×3)的超晶胞模型,其中包含72个HMX分子与72个NTO分子,一共144个分子,如图2(b)所示㊂为了便于与含有晶体缺陷的模型进行比较,将 完美”型晶体模型记作模型
1.
图2　HMX/NTO共晶炸药的单个晶胞与超晶胞模型
Fig.2　Single unit cell and supercell of HMX/NTO
cocrystal explosive
1.3　HMX/NTO共晶缺陷模型的建立
用4个RDX分子替换 完美”型晶体中的4个HMX分子(图3(a)中标记为黄色),得到掺杂率为2.78%的缺陷晶体模型,如图3(b)所示,将所得缺陷模型标记为模型2.
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
05
　第1期奥克托今/3⁃硝基⁃1,2,4⁃三唑⁃5⁃
酮共晶炸药晶体缺陷的分子动力学研究图3　初始晶胞模型与含有掺杂缺陷的晶胞模型
Fig.3　Initial crystal model and defective crystal model
with adulteration
分子,得到掺杂率分别为4.17%㊁5.56%的缺陷晶体模型,分别标记为模型3㊁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2.78%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　初始晶胞模型与含有空位缺陷的晶胞模型
Fig.4　Initial crystal model and defective crystal model
with vacancy
采用同样的方法,分别删除初始模型中的4个
NTO 分子㊁2个HMX 与2个NTO 分子㊁8个HMX 分子㊁8个NTO 分子㊁4个HMX 与4个NTO 分子,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0.2nm 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0.2nm 的距离,得到位错缺陷晶体模型,标记为模型12.
1.4　计算条件设置
分别对HMX /NTO 共晶炸药的 完美”型与含有晶体缺陷的模型进行能量最小化,对其结构进行优化,而后进行分子动力学计算,其中温度设置为
295K,压力设置为0.0001GPa,选择恒温恒压(NPT)系综与COMPASS 力场[11-12]㊂
之所以选择图5　初始晶胞模型与含有位错缺陷的晶胞模型
Fig.5　Initial crystal model and defective crystal model
with dislocation
COMPASS 力场进行分子动力学模拟,是因为该力场适用于凝聚相和不同类型物质相互作用的研究,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㊂采用Andersen 控温方法[13]与Parrinello 控压方法[14],范德华力(vdW)的计算采用atom⁃based 方法,静电作用的计算采用Ewald 方法,时间步长为1fs,总模拟步数为2×105步,其中前
105步用于热力学平衡计算,后105步用于统计分析㊂模拟过程中,每103fs 保存一次轨迹,共得100帧轨迹文件㊂
2　结果分析
2.1　HMX /NTO 共晶的晶胞参数
表1给出了 完美”型的HMX /NTO 共晶模型在295K 下NPT 模拟所得晶胞参数和密度㊂为方便比较,表1中还给出了理论计算结果㊂从表1可以看出,计算得到的HMX /NTO 晶胞参数㊁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㊂
表1　HMX /NTO 晶胞参数与密度的计算值
与理论值
Tab.1　Calculated and theoretical results of HMX /NTO
lattice parameters and density
参数理论值[5]计算值a /nm 0.90600.9065b /nm 0.81900.8194c /nm 1.02701.0276α/(°)81.9481.87β/(°)98.4298.48γ/(°)82.0382.10ρ/(g ㊃cm -3)
1.920
1.917
1
5
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第40卷
2.2　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㊂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㊂
以掺杂率为4.17%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
㊂
图6　温度与能量的变化曲线
Fig.6　Temperature and energy versus time
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±15K 左右,能量波动幅度为±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㊂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㊂
2.3　结合能
结合能E b 定义为分子之间相互作用力E i 的负值,主要用来预测体系的稳定性㊂结合能越大,表明分子之间的相互作用力越强,体系的稳定性越好㊂
对于HMX /NTO 共晶及其缺陷晶体炸药,结合
能的计算公式为
E b =-E i =-[E tot -(E NTO +E o )],
(1)
式中:E tot 为混合体系达到热力学平衡状态时对应的总能量;E NTO 为去掉体系中的其他组分后,NTO 分子对应的总能量;E o 为去掉晶体模型中的NTO 分子后,体系中的HMX 与其他组分对应的总能量㊂
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
㊂
图7　不同模型的结合能
Fig.7　Binding energies of different crystal models
从图7可以看出: 完美”型晶体模型(模型1)对应的结合能最大(362.7kJ /mol),表明HMX 与NTO 分子之间的相互作用力最强,炸药的稳定性最好;缺陷晶体的结合能均有不同程度的减小,其中掺杂缺陷晶体模型(模型2)的结合能最大(351.6kJ /mol),而空位缺陷晶体模型(模型8)的结合能最小(313.9kJ /mol),结合能减小的幅度为
3.06%~13.45%.同时,结合能的变化趋势也表明掺杂缺陷对结合能的影响相对较小,而空位缺陷对结合能的影响最大㊂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㊂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㊂
2.4　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一㊂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㊂根据热点理论[15]与引发键思想[16],同时参考以往的研究工作[17-21],本文中选用引发键键长㊁引发键键连双原子作用能与内聚能密度(CED)
2
5
　第1期奥克托今/3⁃硝基⁃1,2,4⁃三唑⁃5⁃酮共晶炸药晶体缺陷的分子动力学研究来预测炸药的感度,并评价其安全性㊂
2.4.1　引发键键长
所谓引发键,是指含能材料中能量最低㊁最容易
发生断裂的化学键㊂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㊂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 2键中的N N 键[16,22-23]㊂因此,选择HMX 分子中的N N 键作
为引发键来预测体系的感度㊂
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㊂在热力学平衡状态下,不同模型中引发键的最可几键长L p ㊁平均键长L a 与最大键长L max 如表2所示
㊂
图8　引发键的键长分布
Fig.8　Bond length distribution of trigger bond
表2　不同模型中引发键的键长
Tab.2　Trigger bond lengths of different crystal models
模型L p /nm
L a /nm
L max /nm 10.13950.13940.154320.13950.13950.155130.13950.13940.155240.13950.13950.155950.13960.13950.158260.13960.13960.158570.13970.13960.159180.13970.13980.16049
0.13970.13970.1598100.13960.13970.1594110.13960.13950.1570120.13960.13960.1577
从图8可以看出,在平衡状态下,体系中引发键
(N NO 2键)的键长分布呈近似对称的高斯分布㊂
从表2可以看出,对于 完美”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㊂ 完美”型晶体(模型1)的最大键长最小(0.1543nm),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(0.1551nm ),而空位缺陷模型(模型8)的键长最大(0.1604nm),与 完美”型晶体相比,最大键长的增大幅度为0.52%~3.95%.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㊂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,安全性逐渐降低㊂
2.4.2　键连双原子作用能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㊂
键连双原子作用能E N -N 的计算公式为
E N -N =(E T -E
F )/n ,(2)
式中:E T 为体系达到热力学平衡状态时对应的总能量;E 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㊂
通过计算,得到不同模型的键连双原子作用能,如图9所示
㊂
图9　不同模型的键连双原子作用能
Fig.9　Interaction energies of trigger bonds of different models
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㊂其中, 完美”型晶体模型(模型1)的键连双原子作用能最大
3
5
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(160.77kJ/mol),而缺陷晶体的键连双原子作用能均小于 完美”型晶体模型对应的键的能量㊂在缺陷晶体中,掺杂缺陷模型(模型2)的键能最大(156.57kJ/mol),而空位缺陷模型(模型9)的键能最小(135.53kJ/mol),键连双原子作用能减小的幅度为2.61%~15.70%.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㊂由此可见,晶体缺陷会对炸药的安全性产生不利影响㊂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㊂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”,从而使含能材料的感度升高,安全性降低[6,24-25]㊂
2.4.3　CED计算
CED定义为单位体积内1mol物质由凝聚态变为气态时克服分子间作用力所做的功㊂CED属于非键力,在数值上等于vdW与静电力之和㊂
根据计算结果,得到不同模型的CED㊁vdW与静电力,结果如表3所示㊂
表3　不同模型的CED㊁vdW与静电力
Tab.3　CED,vdW and electrostatic forces of
different models
模型CED/(kJ㊃cm-3)vdW/(kJ㊃cm-3)静电力/(kJ㊃cm-3) 10.8830.2520.631 20.8720.2480.624 30.8670.2460.621 40.8530.2380.615 50.8360.2280.608 60.8210.2220.599 70.8250.2240.601 80.8080.2140.594 90.7970.2080.589 100.8130.2170.596 110.8450.2340.611 120.8460.2350.611 从表3可以看出, 完美”型晶体模型(模型1)的能量最高,其中CED㊁vdW与静电力分别为0.883kJ/cm3㊁0.252kJ/cm3㊁0.631kJ/cm3,而缺陷晶体的能量均有不同程度的减小㊂在缺陷晶体中,掺杂缺陷模型(模型2)对应的CED最大(0.872kJ/cm3),而空位缺陷模型(模型9)的CED 最小(0.797kJ/cm3),CED减小的幅度为1.25%~ 9.74%.CED减小,表明炸药由凝聚态变为气态时吸收的能量减小,预示炸药的感度增大,安全性降低㊂此外,表3也进一步表明,空位缺陷晶体模型的CED最低,且随着缺陷数量的增加,CED逐渐减小,表明炸药的感度逐渐增大,安全性呈下降趋势㊂2.5　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㊂常见的爆轰参数主要有爆速D与爆压p等㊂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㊂
爆速D与爆压p的计算公式为
D=(690+1160ρ)∑N c,
p=(
1.106ρ∑N)ch2-0.84,
∑N c=100M(r d i N d i+∑B K N BK+∑G j N G)j ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ïï,
(3)式中:∑N c为炸药的修正氮当量;d i为1mol炸药爆炸时生成第i种爆轰产物的摩尔数;N d i为第i种爆轰产物的氮当量系数;B K为炸药分子中第K种化学键出现的次数;N BK为第K种化学键的氮当量系数;G j为炸药分子中第j种基团出现的次数;N G j为第j种基团的氮当量系数㊂
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㊂
表4　不同模型的爆轰参数Tab.4　Density and detonation parameters of different models 模型ρ/(g㊃cm-3)D/(m㊃s-1)p/GPa
11.917897037.68
21.897889636.86
31.891887436.61
41.883884436.28
51.832865634.26
61.862878535.59
71.859876335.39
81.802853833.03
91.811861333.71
101.818861733.81
111.881884236.25
121.904892437.16 从表4可以看出,对于不同的晶体模型, 完
45
　第1期奥克托今/3⁃硝基⁃1,2,4⁃三唑⁃5⁃酮共晶炸药晶体缺陷的分子动力学研究
美”型晶体模型(模型1)对应的密度㊁爆速与爆压最大,分别为1.917g/cm3㊁8970m/s㊁37.68GPa,表明 完美”型晶体的威力最大,能量密度最高㊂在缺陷
晶体中,位错缺陷模型(模型12)的密度㊁爆速与爆压最大,分别为1.904g/cm3㊁8924m/s㊁37.16GPa,而空位缺陷模型(模型8)的密度㊁爆速与爆压最小,分别为1.802g/cm3㊁8538m/s㊁33.03GPa,密度㊁爆速与爆压的减小幅度分别为0.68%~6.00%㊁0.51%~4.82%㊁1.38%~12.34%.密度㊁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㊂此外,在3种类型的晶体缺陷中,空位缺陷模型对应的密度㊁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㊂在缺陷晶体中,随着缺陷数量的增加,炸药的密度㊁爆速与爆压逐渐减小,能量密度逐渐降低㊂
2.6　力学性能
力学性能主要包括拉伸模量E㊁剪切模量G㊁体积模量K㊁泊松比γ与柯西压C12⁃C44,其中E㊁K㊁G 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㊂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㊂
力学参数可通过弹性系数矩阵进行描述,表达式[27-28]为
σi=C ijεj,i,j=1,2, ,6,(4)式中:σ为应力;ε为应变;C ij为弹性系数,满足C ij= C ji,因此独立的弹性常数只有21个,对于完全的各向同性体,独立的弹性常数只有2个(C11,C22)㊂ 体积模量K与剪切模量G的计算公式为
K R=[S11+S22+S33+2(S12+S23+S31)]-1,(5) G R=15[4(S11+S22+S33)-4(S12+S23+S31)+
3(S44+S55+S66)]-1,(6)式中:下标R表示Reuss平均;柔量系数矩阵S= [S ij]等于弹性系数矩阵C的逆矩阵,即S=C-1= [C ij]-1.
力学参数之间存在如(7)式的关系:
E=2G(1+γ)=3K(1-2γ).(7)基于(7)式,可以求得拉伸模量E与泊松比γ的表达式为
E=9GK3K+G,(8)
γ=3K-2G
2(3K+G).(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㊂
从表5与图10可以看出: 完美”型模型(模型1)的拉伸模量㊁体积模量与剪切模量的值最大,分别为14.441GPa㊁8.773GPa㊁5.891GPa,而柯西压的值最小(0.198GPa),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,E㊁K㊁G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㊂在外界作用下,炸药更容易发生形变㊂在缺陷晶体中,掺杂缺陷模型(模型2)对应的E㊁K㊁G最大,分别为13.853GPa㊁8.518GPa㊁5.634GPa,而空位缺陷模型(模型10)的模量最小,分别为9.325GPa㊁5.687GPa㊁3.801GPa.因此,空位缺陷对炸药力学
表5　不同模型的弹性系数与力学参数
Tab.5　Elastic coefficients and mechanical properties of different crystal models
模型C11/GPa C22/GPa C33/GPa C44/GPa C55/GPa C66/GPa C12/GPa C13/GPa C23/GPa 116.89816.32314.9197.1387.0215.2327.3367.0256.917 216.73016.41115.1176.8066.8185.4087.2126.9277.004 316.40216.21714.9026.9226.8305.1957.1876.9696.768 415.57415.73114.4676.6166.5235.0027.0986.4266.518 514.73313.97813.1045.6366.0035.1476.1095.3485.515 615.23614.73013.6615.9525.7835.2456.4125.9176.115 715.18515.02314.8306.1305.9365.1136.8186.4386.023 814.51414.30811.7734.7365.7305.1135.5824.7085.136 914.63014.21312.8755.1175.8535.0046.3494.9785.917 1013.92912.62310.3184.4275.1384.0255.1744.5264.835 1114.03813.47111.9724.4185.4344.3705.3334.4195.211 1216.01715.54815.0036.5176.6355.3347.2306.6186.427
55
兵　工　学　报
第40卷
续表5　
模型C 15/GPa C 25/GPa C 35/GPa C 46/GPa E /GPa
γ
K /GPa G /GPa C 12⁃C 44/GPa 10.0980.112
-0.2300.04414.4410.2268.7735.8910.19820.126-0.1060.2180.115
13.8530.2298.5185.6340.40630.121
0.0340.168-0.21213.4680.2238.1195.5040.2654-0.2070.3150.117-0.18212.6320.2277.703
5.1490.4825-0.3020.2690.1500.03611.8600.2277.2324.8340.47360.108-0.2260.313
0.12411.9430.2267.2564.8720.46070.1200.158-0.0590.15712.1130.2287.4154.9330.6888-0.2150.2080.0390.16811.0600.2256.7064.5140.8469
-0.1180.3100.2280.149
11.1480.2306.8714.5331.23210-0.1140.230-0.020-0.2159.325
0.2275.6873.8010.747110.177-0.196-0.0450.17610.4430.2286.3934.2520.915120.111
0.2350.303
-0.09812.8760.226
7.834
5.251
0.
713
图10　不同模型的力学性能参数
Fig.10　Mechanical properties of different crystal models
性能的影响更为显著㊂此外,从图10还可以看出,对于同种类型的晶体缺陷(掺杂㊁空位),随着缺陷数量的增加,E ㊁K ㊁G 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㊂
3　结论
本文采用分子动力学方法,分别预测了 完美”型与含有晶体缺陷的HMX /NTO 共晶炸药的稳定性㊁感度㊁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㊂得出以下结论:
1)由于晶体缺陷的影响,结合能减小幅度为
3.06%~13.45%,分子之间的作用力减弱,炸药的稳定性降低㊂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㊂
2)与 完美”型晶体相比,缺陷晶体的引发键键
长增大0.52%~3.95%,而键连双原子作用能与
CED 分别减小2.61%~15.70%㊁1.25%~9.74%,
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㊂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㊂
3)缺陷晶体的密度㊁爆速与爆压减小幅度分别
为0.68%~6.00%㊁0.51%~4.82%㊁1.38%~
12.34%,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㊂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㊂
4)缺陷晶体的拉伸模量㊁体积模量与剪切模量
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㊂
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