高聚物粘结炸药结构与性能的计算模拟研究

论文摘要

以高聚物粘结炸药（PBX）为主的高能复合材料的出现，赋予含能材料（如混合炸药、发射药、推进剂和传爆药等）以更多优良的综合性能，如较高的能量密度、优良的机械性能和较高的安全性能等，在现代国防和国民经济各相关领域获得极为广泛的应用。探讨高能复合材料的结构与性能，为其配方设计提供信息、规律和指导，具有理论和实际双重意义。本文以分子动力学（MD）为主结合量子化学等理论方法，对以PBX为主的多类型高能复合材料，进行了较为系统的模拟和计算，获得了一些有价值的结果。 首先，对以TATB为基的聚三氟氯乙烯（PCTFE）粘结炸药（TATB／PCTFE PBX）通过“吸附包覆”型MD模拟，发现添加高聚物于主体炸药中，使其弹性系数和模量减小，表明刚性减小，弹性增大，机械力学性能大为改善；TATB与PCTFE的相互作用较强，多为氢键和范德华作用。还发现在一定范围内，随高聚物PCTFE在PBX中浓度的增加，体系结合能逐渐增大，刚性逐渐减弱，弹性逐渐增强；而随温度升高，PBX刚性减弱、弹性增强，结合能则逐渐减弱。对4种不同氟聚物(PVDF，F2311，F2314和PCTFE)粘结TATB形成的PBX，MD模拟和爆轰性能计算表明，4种氟聚物均能增强体系的弹性，改善其力学性能，但同时又均降低体系的爆热和爆速。求得爆热的大小顺序为TATB／PVDF＞TATB／F2311＞TATB／F2314＞TATB／PCTFE，爆速的大小顺序则相反。这些规律的发现，为优选粘结剂提供了依据和指导。 其次，将“吸附包覆”型MD模拟应用于四组分体系，模拟研究了两个HMX基PBX实际配方JOB-9003(即HMX／TATB／F2311／石蜡)和JO-9159(即HMX／NC／F2311／石蜡)，求得它们的结构、结合能、力学性能、计算了爆热和爆速，探讨了感度性质和各添加组分的作用。借助对相关函数理论分析，结合DFT-B3LYP计算，揭示了PBX中其它组分对主体炸药HMX的影响以及相互作用的本质。我们的研究表明，TATB与HMX之间形成很多强氢键，它的作用主要增加体系的密度和强度；氟粘结剂F2311主要增强体系的弹性；钝感剂（石蜡）主要以其很大的热容值降低体系的感度，其与主体炸药的相互作用较小，钝感作用不是由电子结构因素所造成。硝化棉（NC）是高能粘结剂，不仅改善体系的力学性能，而且使体系能量增加，补充因惰性粘结剂和钝感剂引起的能量减少。 类似地，通过搭建典型单基（NC）、双基（NC／NG）发射药和多组分火药（HMX／NG／PU）模型，对其结构与性能进行了MD模拟。发现双基与单基发射药相比，刚性增强，爆热和爆速增大，且均主要归因于硝化甘油（NG）。三组分火药的弹性强于主体炸药（HMX），该弹性增强主要归因于PU加入而形成的三维网状结构。双基发

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 本论文的创新点
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 理论基础简介
• 1.3.1 量子化学第一性原理简介
• 1.3.2 分子力学方法
• 1.3.3 分子动力学方法
• 1.3.4 静态力学性能分析
• 1.4 研究内容和思路
• 参考文献
• 第二章 TATB／PCTFE PBX力学性能的MD模拟
• 2.1 引言
• 2.2 计算模型和方法
• 2.3 结果和讨论
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 浓度和温度对TATB／PCTFE PBX力学性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型和方法
• 3.3 结果和讨论
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 TATB／氟聚物PBX的力学性能、结合能和爆炸性能
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果和讨论
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 JOB-9003四组分PBX结构和性能的理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果和讨论
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 JO-9159四组分PBX的结构-性能初探
• 6.1 引言
• 6.2 计算方法
• 6.3 结果和讨论
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 典型发射药和多组分火药模型体系的理论初探
• 7.1 引言
• 7.2 计算方法和细节
• 7.3 结果和讨论
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 β-HMX和β-HMX／HTPB PBX的晶体缺陷和掺杂研究
• 8.1 引言
• 8.2 计算方法
• 8.3 结果和讨论
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 第九章 含铝炸药和含铝PBX的结构和性能初探
• 9.1 引言
• 9.2 计算方法和细节
• 9.3 结果和讨论
• 9.4 本章小结
• 参考文献
• 总结与展望
• 攻博期间已发表和待发表的学术论文
• 致谢