張文英，鄧曉雅，陳思瑾，呂臻珂，洪慧玲，袁　帥，唐　紅，豆育升

(1.重慶郵電大學(xué)生物信息學(xué)院，重慶 400065; 2.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999;3.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

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PBX9501熱感度、熱膨脹及力學(xué)性能的分子動(dòng)力學(xué)模擬

張文英1，鄧曉雅1，陳思瑾1，呂臻珂2，洪慧玲1，袁帥1，唐紅3，豆育升1

(1.重慶郵電大學(xué)生物信息學(xué)院，重慶 400065; 2.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999;3.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

摘要：采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了不同溫度和壓強(qiáng)條件下PBX9501炸藥的熱感度、熱膨脹和力學(xué)性能。通過(guò)體系中各組分最大引發(fā)鍵鍵長(zhǎng)的變化判斷溫度對(duì)其熱感度的影響；預(yù)測(cè)了PBX9501體系在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)；采用靜態(tài)力學(xué)理論分析其力學(xué)性能隨溫度和壓強(qiáng)的變化。結(jié)果表明，在295～450K，隨溫度的升高，PBX9501炸藥的敏感性增大，且在375K時(shí)其引發(fā)鍵的最大鍵長(zhǎng)顯著增大；熱膨脹系數(shù)隨溫度升高而減??；隨溫度升高其脆性越明顯，隨壓強(qiáng)的增加其韌性越好。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；PBX9501；分子動(dòng)力學(xué)模擬；熱感度；熱膨脹；力學(xué)性能；引發(fā)鍵

引 言

高聚物黏結(jié)炸藥(PBX)通常由單體炸藥顆粒(如HMX)及能改善其性能的黏結(jié)劑和添加劑混合制成，它充分利用單體炸藥的爆轟性能和聚合物材料優(yōu)異的力學(xué)性能及可塑性，使PBX的綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)炸藥，廣泛應(yīng)用于軍事和工業(yè)。PBX9501是以主體炸藥HMX與黏結(jié)劑按質(zhì)量比95∶5混合制備，其中黏結(jié)劑是由聚酯型熱塑性聚氨酯(Estane5703)與一種由雙(2,2-二硝基丙醇)縮甲醛(BDNPF)和雙(2,2-二硝基丙醇)縮乙醛(BDNPA)組成的共熔混合物按質(zhì)量比1∶1組成。PBX9501炸藥具有能量高、綜合性能優(yōu)良的特點(diǎn)，是目前研究和使用較為廣泛的一種PBX炸藥。

理論研究表明[1]，在炸藥中添加少量高聚物，能大大改善主體炸藥的力學(xué)性能。溫度是影響PBX 力學(xué)性能和結(jié)合能的重要因素之一，研究其中的規(guī)律性，對(duì)PBX 炸藥的配方設(shè)計(jì)和實(shí)際制備具有重大指導(dǎo)意義。

分子動(dòng)力學(xué)(MD)可以在原子水平上模擬復(fù)合材料的各種性質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于含能材料研究領(lǐng)域中[2-6]。本研究選取PBX9501為研究對(duì)象，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法預(yù)測(cè)了溫度對(duì)其感度、熱膨脹和力學(xué)性能的影響，同時(shí)還預(yù)測(cè)了壓強(qiáng)對(duì)其力學(xué)性能的影響，以期為壓裝PBX的配方設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，也為在細(xì)觀(guān)尺度下的PBX壓制數(shù)值模擬計(jì)算提供必要的參數(shù)。

1模型構(gòu)建與模擬方法

1.1模型構(gòu)建

以β-HMX中子衍射獲得的晶體數(shù)據(jù)[7]為依據(jù)，構(gòu)建HMX(3×3×5)超晶胞體系，超晶胞初始結(jié)構(gòu)如圖1所示。HMX原胞中含2個(gè)HMX分子，超晶胞周期體系共有90個(gè)HMX分子。構(gòu)建Estane5703 聚合物鏈、BDNPF及BDNPA分子，其結(jié)構(gòu)式如圖2所示。

圖1　HMX超晶胞初始構(gòu)型Fig.1　Initial configuration of HMX super cell

圖2　Estane5703重復(fù)單元、BDNPF以及BDNPA的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.2　Chemical structure of repeat units in Estane5703,BDNPF and BDNPA

為更貼近實(shí)際，控制黏結(jié)劑在整個(gè)體系中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%，并將黏結(jié)劑的平衡構(gòu)象加到已建立的HMX超晶胞周期箱中。在目標(biāo)體系中，PBX9501中的黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.97%，共計(jì)2699個(gè)原子。

1.2模擬方法

構(gòu)建PBX9501體系中各組分構(gòu)象，并對(duì)每一個(gè)構(gòu)象進(jìn)行優(yōu)化以獲取其平衡構(gòu)象，將各平衡構(gòu)象組建成完整的體系模型。對(duì)構(gòu)建的PBX9501體系進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使體系能量降到最低，得到一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)該模型進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，模擬總時(shí)長(zhǎng)為2ns，獲取最終的平衡構(gòu)象。在不同溫度及壓力條件下對(duì)上述平衡構(gòu)象進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬研究，獲取所需數(shù)據(jù)及其原子運(yùn)動(dòng)軌跡文件，并選取足夠多的幀數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析、獲取PBX9501的相關(guān)性質(zhì)。

在整個(gè)模擬過(guò)程中，各模擬時(shí)長(zhǎng)為2ns，模擬時(shí)間步長(zhǎng)為1fs，截?cái)喟霃饺?5.5×10-10m，并采用周期性邊界條件。分子力場(chǎng)采用COMPASS力場(chǎng)[8]，該力場(chǎng)能夠?qū)δ蹜B(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的描述。初始分子運(yùn)動(dòng)速度按Maxwell-Boltzman分布確定；采用Anderson恒溫器和Parrinello控壓器分別對(duì)溫度和壓力進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使溫度和壓力在設(shè)定值附近波動(dòng)?？赏ㄟ^(guò)分析能量-時(shí)間曲線(xiàn)、收斂信息等判定體系在不同溫度和壓強(qiáng)條件下是否達(dá)到平衡。所有分子動(dòng)力學(xué)模擬均在Material Studio軟件包Forcite模塊上進(jìn)行。

2結(jié)果與討論

2.1溫度對(duì)PBX9501熱感度的影響

熱感度是一個(gè)綜合概念，影響因素較復(fù)雜，且沒(méi)有一個(gè)普遍適用的理論判據(jù)。對(duì)于不同的體系或同一體系在不同的條件下，必須綜合分析、抓住特定情況下的主導(dǎo)和決定性因素，選擇最適的理論判據(jù)。研究復(fù)合炸藥的熱感度應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其易爆成分結(jié)構(gòu)的變化，PBX9501的易爆成分為HMX炸藥顆粒，且BDNPF/A作為含能增塑劑同樣具有一定的爆炸威力。爆燃物的引發(fā)鍵是分子中最弱的化學(xué)鍵，在外界刺激下將優(yōu)先斷裂，引發(fā)熱解或起爆。此處，主要討論不同溫度下PBX9501感度的變化，因此可使用引發(fā)鍵的最大鍵長(zhǎng)來(lái)表征其熱感度的相對(duì)大小[9-10]。據(jù)文獻(xiàn)[11-13]認(rèn)為，硝銨炸藥(如HMX)引發(fā)鍵為N—NO2鍵，而含能增塑劑BDNPF/A屬于偕二硝基類(lèi)化合物，其引發(fā)鍵為C—NO2，即可分別根據(jù)N—N鍵或C—N鍵最大鍵長(zhǎng)的變化來(lái)判定其感度變化。分子動(dòng)力學(xué)模擬雖不能給出體系的電子結(jié)構(gòu)，但能統(tǒng)計(jì)出幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到各鍵鍵長(zhǎng)。表1給出了不同溫度下，HMX引發(fā)鍵N—N鍵和BDNPF/A引發(fā)鍵C—N鍵的平均鍵長(zhǎng)Lave及最大鍵長(zhǎng)Lmax。

表1　不同溫度下PBX9501體系中易爆組分引發(fā)鍵的平均

從表1可知，當(dāng)溫度為295～450K時(shí)，隨著溫度的升高，HMX、BDNPF/A引發(fā)鍵的平均鍵長(zhǎng)變化較小，但最大鍵長(zhǎng)均隨溫度升高而明顯變大，說(shuō)明隨著溫度的升高，PBX9501體系變得更為敏感。值得注意的是，當(dāng)溫度升至375K時(shí)，HMX引發(fā)鍵的最大鍵長(zhǎng)和平均鍵長(zhǎng)的差值ΔL顯著增大，表明PBX9501的熱感度在該溫度點(diǎn)突變得更敏感。另一方面，各溫度下HMX引發(fā)鍵的最大鍵長(zhǎng)均比BDNPF/A引發(fā)鍵的最大鍵長(zhǎng)大，表明主體炸藥顆粒HMX的感度在整個(gè)體系中占主導(dǎo)地位。黏結(jié)劑BDNPF/A的ΔL值均比HMX小，表明溫度對(duì)BDNPF/A感度的影響不明顯。前期對(duì)單一HMX體系的分子動(dòng)力學(xué)研究[14]中報(bào)道N—NO2最大鍵長(zhǎng)為0.1590nm，遠(yuǎn)高于HMX- BDNPF/A 混合體系的值，說(shuō)明黏結(jié)劑的存在有利于降低HMX的熱感度，對(duì)于提高PBX的熱穩(wěn)定性發(fā)揮了重要作用。

2.2不同溫度下體系的熱膨脹系數(shù)

本研究通過(guò)對(duì)目標(biāo)體系在不同溫度下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，獲取該材料在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下體系的體積和晶格常數(shù)，從而間接求取熱膨脹系數(shù)。

精確的熱膨脹系數(shù)是將實(shí)用熱膨脹系數(shù)用微分方法表示成溫度的函數(shù)。因此，可用以下公式表示微分線(xiàn)膨脹系數(shù)(α)和微分體膨脹系數(shù)(β)：

(1)

(2)

式中：Ln、Vn分別為所測(cè)體系的平均長(zhǎng)度和平均體積。等壓條件下，且在不追求高精度的情況下，微分部分可通過(guò)求體系邊長(zhǎng)—溫度曲線(xiàn)或體積—溫度曲線(xiàn)的斜率間接獲取。即對(duì)不同溫度下獲取的晶胞參數(shù)和體積進(jìn)行線(xiàn)性擬合，其相應(yīng)的斜率在數(shù)值上等于dL/dT或dV/dT的值。

物質(zhì)的熱膨脹行為實(shí)質(zhì)上是其原子非和諧振動(dòng)的直接結(jié)果，其熱膨脹程度與材料的組成、結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵強(qiáng)度等多種因素緊密相關(guān)。通過(guò)熱膨脹的測(cè)量可求得其Grüneisen 和Rayleigh 系數(shù)[15-16]，進(jìn)而揭示熱膨脹系數(shù)與該材料其他性能之間的聯(lián)系。圖3為295～450K時(shí)，PBX9501的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)。

圖3　PBX9501熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線(xiàn)Fig.3　The curves of change in thermal expansioncoefficients of PBX9501with temperatures

從圖3可知，該材料的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)均隨溫度的升高而小幅度下降。表明隨溫度的升高，該復(fù)合材料一直在發(fā)生熱膨脹，但其膨脹的程度有所減緩。

2.3溫度對(duì)PBX9501力學(xué)性能的影響

圖4為PBX9501的體積模量(K)、剪切模量(G)及彈性模量(E)在不同溫度下的變化情況。

圖4　PBX9501各模量隨溫度的變化曲線(xiàn)Fig.4　The curves of change in modulus of PBX9501with temperatures

從圖4可知，在295～450K時(shí)，各向有效同性模量隨溫度的升高均呈下降趨勢(shì)。K和E曲線(xiàn)較陡，即隨著溫度升高，K和E的值顯著降低，表明該材料的抗彈性形變能力受溫度影響較大，隨溫度升高該材料抵抗彈性變形的能力明顯減弱。相對(duì)K和E，剪切模量G的值隨溫度升高下降較為緩慢，即該材料抵抗切應(yīng)變的能力隨溫度升高減弱較緩。

圖5為PBX9501的泊松比(ν)、G/K以及柯西壓(C12-C44)隨溫度的變化曲線(xiàn)。

圖5　PBX9501的泊松比、G/K、柯西壓隨溫度的變化曲線(xiàn)Fig.5　The curves of change in Poisson ratio，G/K，Cauchy pressure of PBX9501 with temperatures

由圖5可看出，泊松比隨著溫度上升而下降，降到極小值后又隨溫度上升而升高，但在整個(gè)溫度范圍內(nèi)其值介于 0.347～0.355，在數(shù)值上變化甚微。柯西壓隨溫度升高而減小，逐漸接近零，且最大值僅為1.719GPa，說(shuō)明在該情況下PBX9501的延展性較差,且隨著溫度的升高，脆性越明顯。

2.4壓強(qiáng)對(duì)PBX9501力學(xué)性能的影響

為了進(jìn)一步考察壓強(qiáng)變化對(duì)PBX9501力學(xué)性能的影響，在室溫、0～25GPa內(nèi)選取8個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)，得到K、G和E隨壓強(qiáng)的變化曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6　PBX9501各模量隨壓強(qiáng)的變化曲線(xiàn)Fig.6　The curves of change in modulus ofPBX9501 with pressures

由圖6可看出，K和E隨壓強(qiáng)的增大而顯著增大，G也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但較為平緩，表明PBX9501抗塑性形變的能力比抗彈性形變的能力增強(qiáng)得更快。

圖7為泊松比(ν)、G/K以及柯西壓(C12-C44)隨壓強(qiáng)的變化曲線(xiàn)。由圖7可看出，G/K隨著壓強(qiáng)增大而減小、最后趨于平穩(wěn)，柯西壓初始值接近零，隨壓強(qiáng)增加其值顯著增大，說(shuō)明在壓力加載下PBX9501逐漸表現(xiàn)出韌性，且隨著壓強(qiáng)的增大其韌性越好。

圖7　PBX9501泊松比、G/K和柯西壓隨壓強(qiáng)的變化曲線(xiàn)Fig.7　The curves of change in Poisson ratio、G/K，Cauchy pressure of PBX9501 with pressures

3結(jié)論

(1)隨溫度升高，PBX9501易爆組分引發(fā)鍵(N—NO2)的平均鍵長(zhǎng)變化較小，但最大鍵長(zhǎng)逐漸增大，表明其熱感度隨溫度升高逐漸增大。

(2)利用線(xiàn)性擬合得到晶胞線(xiàn)長(zhǎng)或體積隨溫度的變化曲線(xiàn)，進(jìn)而預(yù)測(cè)PBX9501體系在295～450K內(nèi)的平均線(xiàn)膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)均隨溫度升高而逐漸減小，表明其熱膨脹能力隨溫度的升高有所減弱。

(3)通過(guò)分析該材料的分子動(dòng)力學(xué)軌跡，預(yù)測(cè)出體系各模量隨溫度及壓強(qiáng)的變化，發(fā)現(xiàn)在295～450K內(nèi)，隨溫度升高PBX9501的脆性越明顯；在0～25GPa內(nèi)，隨壓強(qiáng)增加其韌性越好。

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Molecular Dynamics Simulation of Thermal Sensitivity, Thermal Expansion and Mechanical Properties of PBX9501

ZHANG Wen-ying1,DENG Xiao-ya1,CHEN Si-jin1,Lü Zhen-ke2,HONG Hui-ling1,YUAN Shuai1,TANG Hong1,DOU Yu-sheng1

(1.College of Bio-information,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065, China;2.Instiute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyan Sichuan 621999, China; 3.College of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065, China)

Abstract:Molecular dynamics simulation was used to explore the thermal sensitivity，thermal expansion and mechanical properties of PBX9501 explosive at different temperatures and pressures. The change in maximum trigger bond lengths of components in the sysem was used to judge the influence of temperature on the thermal sensitivity of the system. The thermal expansion coefficients at different temperatures were predicted .The variations of mechanical properties with temperatures and pressures were analyzed by static mechanics theory. The results show that the sensitivity of PBX9501 increases with increasing temperature in the range of 295-450K and the maximum trigger bond length increases significantly at 375K. The thermal expansion coefficient decreases with the increase of temperature. The brittleness is more remarkable with increasing temperature, and the toughness is better with increasing pressure.

Keywords:physical chemistry; PBX9501; molecular dynamics simulation; thermal sensitivity; thermal expansion; mechanical properties; trigger bond

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.006

收稿日期:2015-10-31；修回日期:2016-01-21

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助(U1330138和21203259)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(KJ1500432)

作者簡(jiǎn)介:張文英(1976-)，女，博士，副教授，從事分子動(dòng)力學(xué)模擬研究。E-mail：zhangwenying@cqupt.edu.cn 通訊作者:豆育升(1953-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事分子動(dòng)力學(xué)模擬與計(jì)算。E-mail：douys@cqupt.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ55;TQ564

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2016)03-0032-05