极端条件下含能材料响应特性的多尺度计算

极端条件下含能材料响应特性的多尺度计算极端条件下含能材料的响应是一个瞬时现象,但无论其时间和空间尺度如何短促,它仍然有着丰富的物理化学内涵,并蕴含着自身的激发-成长-传播的规律。冲击动力学及爆轰学中已经就极端条件下含能材料的响应建立起许多经典的理论,但其中涉及的化学反应动力学机制对上述问题中的物理现象的支撑作用和耦合机制尚不清楚。具有多尺度模拟能力的分子动力学方法可深入至分子/原子层面对极端条件下含能材料的响应问题加以描述。本文采用可拓展的并行分子动力学算法,同时结合基于第一性原理的反应力场对高温、冲击、碰撞条件下含能材料的物理化学响应进行了分析,旨在揭示含能材料快速破坏中蕴含的化学反应动力学机制,并试图发现新的现象和问题,同时给予合理的解释。

研究内容及主要结果如下:共晶含能材料CL20/TNT高温热分解的反应动力学机制:构建不同密度的CL20/TNT共晶超晶胞(1.435g/cm3,1.910g/cm3,2.621 g/cm3),并整体施加高温载荷(2000K,2500K,3000K)得到上述密度的CL20/TNT热分解的能量势垒依次降低,分别为50.92kcal/mol,44.06

kcal/mol,42.403kcal/mol。同一温度条件下共晶内CL20的衰减速率均大于TNT,随着共晶密度的增加,TNT分子的衰减速率明显加快,并且TNT的分解抑制了CL20的分解。NO2为共晶高温热分解的初级产物,最终产物则为CO2,H2O和N2。局部高温诱发CL20/TNT共晶含能材料内热冲击传播的时空行为:CL20/TNT共晶超晶胞两端的高温将引发热冲击机械波向中间区域传播,并反复碰撞,而后不断衰减,粒子动能逐渐转化为热能,并且粒子的运动速度为百米每秒量级。

随后热量进一步传递,并逐渐地引发含能材料分解,并且分解的速率紧密地依赖于两端的温度。CL20/TNT共晶含能材料的冲击起爆机理:通过轴向冲击压缩的方式施加6,7,8,9,10km/s的冲击波,确定激发CL20/TNT发生化学反应的最小冲击波速为7km/s,并得到冲击起爆压力为24.56GPa以及Us-Up关系

为:Us=1.34634Up+4.45004。另外,在9,10km/s的冲击波下,共晶起爆过程中出现大量的碳原子。冲击诱导RDX化学反应及热点形成:通过平面直接冲击加载的方法赋予粒子速度1-4km/s的范围。

当粒子速度为1,2km/s,基本无化学反应发生,3,4km/s时,产物识别分析显示RDX分子数量明显减少,化学反应发生,并获得Us-Up关系

为:Us=1.79947Up+3.04138。另外,随着冲击波速度的增加,波阵面内的物理参数变化更加陡峭,且波阵面后方的密度不同程度的增加。通过冲击波与矩形空腔相互作用下的热点形成以及成长过程发现,当冲击波速度为2km/s,热点区域的温度在1000K~3800K之间,当冲击波速度提升至4km/s,该区域温度则在

4000K~11000K。另外分析了弯曲波阵面逐渐衰减为平面冲击波的过程,此衰减过程为热点附近的稀疏波拉伸所致。

水分子团超高速碰撞RDX的冲击波传播以及层裂:水分子团以2-12km/s的速度高速碰撞RDX,各碰撞速度条件下,碰撞引起的冲击波在RDX内均以逐渐衰减的方式传播,并且当碰撞速度高于8km/s,冲击激发碰撞处RDX发生分解反应。冲击波到达自由界面后反射产生的稀疏波拉伸RDX发生断裂,并且断裂形式紧密地依赖于冲击波速度,低速碰撞下为典型层裂,拉伸断裂处温度升高。高速碰撞下,断裂处为微层裂。