高温高压下六硝基茋炸药反应机理的分子动力学模拟

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六硝基茋炸药(简称HNS)具有热安定性好、对短冲击脉冲敏感的特点,在直列式起爆系统以及石油勘探领域得到了广泛应用。因此,其热分解机理和冲击起爆机理一直是人们十分关心的问题。本文采用基于ReaxFF-lg反应力场的分子动力学计算方法,对高温、高压以及冲击作用下HNS的反应机理进行了研究。我们构建了2×4×2的HNS超晶胞结构体系,采用ReaxFF-lg反应力场,通过NVE系综、Berendsen热浴控温,计算了不同温度下HNS的热分解过程。分析了HNS初始分解路径、主要产物、团簇的演化以及反应动力学参数。计算发现:HNS的初始分解路径为C-NO2键断裂生成NO2,以及C-NO2中的硝基发生异构化变为C-ONO,然后O-N键断裂,生成NO。HNS热分解的主要小分子产物为NO2、NO、H2O、CO2、N2、H2、HONO和HNO;终态产物为H2O、CO2、N2和H2。温度越低,生成的团簇尺寸越大;大量的O原子被限制在团簇中不容易逸出,这会影响后续的反应进程。为了研究高压下HNS的热分解机理,采用NPT系综,对HNS体系进行加压,研究了不同初始压力下的HNS在3500K下的热分解过程。分析了密度对HNS热分解初始分解路径、主要产物以及团簇的演化的影响。结果显示压力显著阻碍了HNS的初始分解进程。密度越大,生成的团簇尺寸越大,大量的O原子被限制在团簇中,不容易逸出参与反应,阻碍了反应的进一步进行。为了研究HNS冲击起爆机理,利用ReaxFF分子动力学方法结合MSST技术,通过轴向冲击压缩的方式对HNS体系在y方向施加不同速度的冲击波,分析了冲击压缩过程的热力学特性、冲击速度与粒子速度关系、发生的主要化学反应、产物的生成情况以及团簇的演化过程。较高的冲击速度会加快反应的进行,但反应进行得越不充分。冲击作用显著抑制了O原子从团簇中逸出,进而严重阻碍了后续反应的进行。
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