【摘要】：極端條件下含能材料的響應(yīng)是一個瞬時現(xiàn)象,但無論其時間和空間尺度如何短促,它仍然有著豐富的物理化學(xué)內(nèi)涵,并蘊含著自身的激發(fā)-成長-傳播的規(guī)律。沖擊動力學(xué)及爆轟學(xué)中已經(jīng)就極端條件下含能材料的響應(yīng)建立起許多經(jīng)典的理論,但其中涉及的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機制對上述問題中的物理現(xiàn)象的支撐作用和耦合機制尚不清楚。具有多尺度模擬能力的分子動力學(xué)方法可深入至分子/原子層面對極端條件下含能材料的響應(yīng)問題加以描述。本文采用可拓展的并行分子動力學(xué)算法,同時結(jié)合基于第一性原理的反應(yīng)力場對高溫、沖擊、碰撞條件下含能材料的物理化學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析,旨在揭示含能材料快速破壞中蘊含的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機制,并試圖發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和問題,同時給予合理的解釋。研究內(nèi)容及主要結(jié)果如下:共晶含能材料CL20/TNT高溫?zé)岱纸獾姆磻?yīng)動力學(xué)機制:構(gòu)建不同密度的CL20/TNT共晶超晶胞(1.435g/cm3,1.910g/cm3,2.621 g/cm3),并整體施加高溫載荷(2000K,2500K,3000K)得到上述密度的CL20/TNT熱分解的能量勢壘依次降低,分別為50.92kcal/mol,44.06 kcal/mol,42.403kcal/mol。同一溫度條件下共晶內(nèi)CL20的衰減速率均大于TNT,隨著共晶密度的增加,TNT分子的衰減速率明顯加快,并且TNT的分解抑制了CL20的分解。NO2為共晶高溫?zé)岱纸獾某跫壆a(chǎn)物,最終產(chǎn)物則為CO2,H2O和N2。局部高溫誘發(fā)CL20/TNT共晶含能材料內(nèi)熱沖擊傳播的時空行為:CL20/TNT共晶超晶胞兩端的高溫將引發(fā)熱沖擊機械波向中間區(qū)域傳播,并反復(fù)碰撞,而后不斷衰減,粒子動能逐漸轉(zhuǎn)化為熱能,并且粒子的運動速度為百米每秒量級。隨后熱量進(jìn)一步傳遞,并逐漸地引發(fā)含能材料分解,并且分解的速率緊密地依賴于兩端的溫度。CL20/TNT共晶含能材料的沖擊起爆機理:通過軸向沖擊壓縮的方式施加6,7,8,9,10km/s的沖擊波,確定激發(fā)CL20/TNT發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的最小沖擊波速為7km/s,并得到?jīng)_擊起爆壓力為24.56GPa以及Us-Up關(guān)系為:Us=1.34634Up+4.45004。另外,在9,10km/s的沖擊波下,共晶起爆過程中出現(xiàn)大量的碳原子。沖擊誘導(dǎo)RDX化學(xué)反應(yīng)及熱點形成:通過平面直接沖擊加載的方法賦予粒子速度1-4km/s的范圍。當(dāng)粒子速度為1,2km/s,基本無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,3,4km/s時,產(chǎn)物識別分析顯示RDX分子數(shù)量明顯減少,化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,并獲得Us-Up關(guān)系為:Us=1.79947Up+3.04138。另外,隨著沖擊波速度的增加,波陣面內(nèi)的物理參數(shù)變化更加陡峭,且波陣面后方的密度不同程度的增加。通過沖擊波與矩形空腔相互作用下的熱點形成以及成長過程發(fā)現(xiàn),當(dāng)沖擊波速度為2km/s,熱點區(qū)域的溫度在1000K~3800K之間,當(dāng)沖擊波速度提升至4km/s,該區(qū)域溫度則在4000K~11000K。另外分析了彎曲波陣面逐漸衰減為平面沖擊波的過程,此衰減過程為熱點附近的稀疏波拉伸所致。水分子團(tuán)超高速碰撞RDX的沖擊波傳播以及層裂:水分子團(tuán)以2-12km/s的速度高速碰撞RDX,各碰撞速度條件下,碰撞引起的沖擊波在RDX內(nèi)均以逐漸衰減的方式傳播,并且當(dāng)碰撞速度高于8km/s,沖擊激發(fā)碰撞處RDX發(fā)生分解反應(yīng)。沖擊波到達(dá)自由界面后反射產(chǎn)生的稀疏波拉伸RDX發(fā)生斷裂,并且斷裂形式緊密地依賴于沖擊波速度,低速碰撞下為典型層裂,拉伸斷裂處溫度升高。高速碰撞下,斷裂處為微層裂。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ560.1


本文編號：2794721