【摘要】：晶體缺陷對含能材料力學(xué)性能、爆炸性能、感度及反應(yīng)機(jī)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(yīng)用價(jià)值。本文采用恒溫恒壓系綜的分子動(dòng)力學(xué)方法,在COMPASS力場下,運(yùn)用切割分面、構(gòu)建晶體缺陷和加入F_(2311)高分子鏈等手段,研究位錯(cuò)、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(jié)炸藥FOX-7/F_(2311)、奧克托今(HMX)基高聚物粘結(jié)炸藥HMX/F_(2311)及HMX/FOX-7共晶炸藥的力學(xué)性能、引發(fā)鍵鍵長和結(jié)合能的影響。本過程以溫度-時(shí)間平衡曲線和能量-時(shí)間平衡曲線在5%~10%范圍內(nèi)波動(dòng)為體系平衡標(biāo)志。首先以中子衍射或X射線衍射數(shù)據(jù)構(gòu)建晶胞模型,通過切割分面方法構(gòu)建(001)、(010)、(100)三個(gè)不同晶面,在固定晶面上構(gòu)建不同的晶體缺陷。然后在COMPASS力場下進(jìn)行200ps的分子動(dòng)力學(xué)模擬,以拉伸模量、體積模量、剪切模量、泊松比、柯西壓等指標(biāo)判斷完美晶體和含缺陷體系力學(xué)性能的變化情況。結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(huì)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(cuò)2列晶體缺陷比位錯(cuò)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(xué)性能改變程度呈正相關(guān)。采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬不同溫度下含缺陷FOX-7的彈性系數(shù)和力學(xué)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(yù)測含能材料制備受溫度影響和研究單體炸藥熱分解機(jī)理有重要意義。
【圖文】：

圖 1.1 含能材料晶體缺陷研究的學(xué)術(shù)鏈能材料計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[45]。但因能材料本身成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大、反應(yīng)極快、反應(yīng)過程不可控且不易觀察方法研究晶體缺陷因?qū)嶒?yàn)條件限制進(jìn)展較慢。而計(jì)算機(jī)模擬不僅降低成本，，而且可以研究極快的反應(yīng)或變化且精確度高。二十世紀(jì)量子力學(xué)快速發(fā)定諤方程得到每一個(gè)電子的行為，幾乎分子的所有性質(zhì)如：結(jié)構(gòu)、構(gòu)象、能、電子親和能、電子密度等都可由量子力學(xué)獲取，因此模擬時(shí)間長，所也有限，最多不超過 100 個(gè)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(xué)方法，其略電子的運(yùn)動(dòng)，并把系統(tǒng)的能量作為核的位置，可用于計(jì)算一些團(tuán)簇或生算大系統(tǒng)的非量子計(jì)算方法是蒙特卡羅方法，它可以得到復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)但僅限統(tǒng)計(jì)平均值，對動(dòng)態(tài)過程無法模擬。分子動(dòng)力學(xué)方法的出現(xiàn)很好的

6圖 1.2 分子動(dòng)力學(xué)發(fā)展進(jìn)程的學(xué)術(shù)鏈子動(dòng)力學(xué)模擬中假設(shè)原子的運(yùn)動(dòng)契合牛頓運(yùn)動(dòng)方程，則每一個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)即的軌道。分子動(dòng)力學(xué)假設(shè)原子核運(yùn)動(dòng)的量子效應(yīng)可以忽略不計(jì)，絕熱可認(rèn)為嚴(yán)每一時(shí)刻電子均要處在對應(yīng)原子結(jié)構(gòu)的基態(tài)。分子動(dòng)力學(xué)模擬中最重要的是互作用的勢能，這直接關(guān)系到模擬的準(zhǔn)確性，在分子動(dòng)力學(xué)中相互作用勢能用數(shù)表示。經(jīng)驗(yàn)勢能函數(shù)在能量極小化后獲得分子坐標(biāo) r，勢能對坐標(biāo)的一階導(dǎo)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(shí)Ep和 F，就可以計(jì)算下一時(shí)刻 t+ t 新的力 F1，再由新的力獲取新的速度 V1，和速度計(jì)算新的位置 r1，如此循環(huán)（如圖 1.3）就可以模擬出分子運(yùn)動(dòng)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(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ560.1

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本文編號：2613908