【摘要】：晶體缺陷對含能材料力學性能、爆炸性能、感度及反應機理等有重要影響,研究含能材料的晶體缺陷具有十分重要的理論意義和應用價值。本文采用恒溫恒壓系綜的分子動力學方法,在COMPASS力場下,運用切割分面、構建晶體缺陷和加入F_(2311)高分子鏈等手段,研究位錯、空位、孔洞、摻雜等晶體缺陷對硝基甲烷(NM)、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)、六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)單體炸藥,FOX-7基高聚物粘結炸藥FOX-7/F_(2311)、奧克托今(HMX)基高聚物粘結炸藥HMX/F_(2311)及HMX/FOX-7共晶炸藥的力學性能、引發(fā)鍵鍵長和結合能的影響。本過程以溫度-時間平衡曲線和能量-時間平衡曲線在5%~10%范圍內(nèi)波動為體系平衡標志。首先以中子衍射或X射線衍射數(shù)據(jù)構建晶胞模型,通過切割分面方法構建(001)、(010)、(100)三個不同晶面,在固定晶面上構建不同的晶體缺陷。然后在COMPASS力場下進行200ps的分子動力學模擬,以拉伸模量、體積模量、剪切模量、泊松比、柯西壓等指標判斷完美晶體和含缺陷體系力學性能的變化情況。結果表明2.08%~4.17%濃度的晶體缺陷可減小NM、FOX-7、CL-20單體炸藥、FOX-7/F_(2311)和HMX/F_(2311)高聚物粘結炸藥及HMX/FOX-7共晶炸藥的拉伸模量、體積模量和剪切模量,增大柯西壓和K/G,工程模量改變在0.3%~47.3%范圍內(nèi),表明晶體缺陷可以改善炸藥的柔韌性和延展性,減小剛性。FOX-7/F_(2311)和HMX/F_(2311)高聚物粘結炸藥中含缺陷體系的主體炸藥引發(fā)鍵鍵長在0.1%~3.01%范圍內(nèi)呈增大趨勢,結合能在2.0%~13.6%范圍內(nèi)呈減小趨勢,表明在模擬條件下缺陷會增加分子的活化程度,提高感度,使高分子鏈節(jié)的相容性變差。位錯2列晶體缺陷比位錯1列對工程模量和柯西壓的改變更明顯,表明一定范圍內(nèi)晶體缺陷濃度與力學性能改變程度呈正相關。采用分子動力學方法模擬不同溫度下含缺陷FOX-7的彈性系數(shù)和力學性能,在不同溫度下,晶體缺陷對FOX-7的影響保持一致,即含缺陷體系的工程模量均小于完美晶體,表明任一溫度下晶體缺陷均能減小體系剛性,且隨溫度升高,拉伸模量、體積模量和剪切模量均呈減小趨勢,表明隨溫度升高含能材料體系硬度減小,柔韌性得到改善。本研究對預測含能材料制備受溫度影響和研究單體炸藥熱分解機理有重要意義。
【圖文】：

圖 1.1 含能材料晶體缺陷研究的學術鏈能材料計算機模擬方法概述方法是最早研究晶體缺陷的手段，也得到了大量可靠的實驗數(shù)據(jù)[45]。但因能材料本身成本高、危險系數(shù)大、反應極快、反應過程不可控且不易觀察方法研究晶體缺陷因實驗條件限制進展較慢。而計算機模擬不僅降低成本，，而且可以研究極快的反應或變化且精確度高。二十世紀量子力學快速發(fā)定諤方程得到每一個電子的行為，幾乎分子的所有性質(zhì)如：結構、構象、能、電子親和能、電子密度等都可由量子力學獲取，因此模擬時間長，所也有限，最多不超過 100 個原子[46]。研究大系統(tǒng)的性質(zhì)，在 1970 年左右建立了基于力場的分子力學方法，其略電子的運動，并把系統(tǒng)的能量作為核的位置，可用于計算一些團簇或生算大系統(tǒng)的非量子計算方法是蒙特卡羅方法，它可以得到復雜系統(tǒng)的結構但僅限統(tǒng)計平均值，對動態(tài)過程無法模擬。分子動力學方法的出現(xiàn)很好的

6圖 1.2 分子動力學發(fā)展進程的學術鏈子動力學模擬中假設原子的運動契合牛頓運動方程，則每一個原子的運動即的軌道。分子動力學假設原子核運動的量子效應可以忽略不計，絕熱可認為嚴每一時刻電子均要處在對應原子結構的基態(tài)。分子動力學模擬中最重要的是互作用的勢能，這直接關系到模擬的準確性，在分子動力學中相互作用勢能用數(shù)表示。經(jīng)驗勢能函數(shù)在能量極小化后獲得分子坐標 r，勢能對坐標的一階導便是力 F=- Ep/ r。然后，再由牛頓第二定律得到加速度 a=F/m。如果明確某時Ep和 F，就可以計算下一時刻 t+ t 新的力 F1，再由新的力獲取新的速度 V1，和速度計算新的位置 r1，如此循環(huán)（如圖 1.3）就可以模擬出分子運動的軌跡[46]，算具體的性質(zhì)，分析晶體缺陷對含能材料性能的影響。
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ560.1

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本文編號：2613908