CL-20及其共晶力学性能分子动力学模拟

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CL–20是目前能量密度最高的单质炸药之一,但由于其感度较高,使用范围受到一定的限制。通过炸药共晶技术有可能获得兼备高能量和低感度的炸药,解决CL–20炸药高能量与高安全性的矛盾。本文主要采用分子动力学方法,对四种不同晶型CL–20及ε–CL–20/TATB共晶体系结构和性能进行理论计算研究。采用分子动力学方法,选用COMPASS力场,在NPT系综下对不同温度(198K、248K、298K、348K和398K)下,α–CL–20、β–CL–20、ε–CL–20和γ–CL–20四种超晶胞模型进行分子动力学模拟,对其力学性能参数和引发键键长进行计算。结果表明,四种不同晶型CL–20刚性和硬度随温度升高而降低,同一温度下,α–CL–20和β–CL–20力学性能相对较好,ε–CL–20和γ–CL–20力学性能较差。通过比较引发键N–NO2最大键长(Lmax)的大小,预测四种不同晶型CL–20的感度大小顺序为:α–CL–20>γ–CL–20>β–CL–20>ε–CL–20。采用晶型预测方法预测了ε–CL–20/TATB共晶(摩尔比1:1)结构,并采用分子动力学方法,分析了共晶炸药的力学性能和感度特征。计算显示,ε–CL–20/TATB共晶结构属于P–21/c空间组,具有较大的结合能值,共晶分子之间主要通过静电力、范德华力和氢键结合在一起。通过比较炸药引发键N–NO2最大键长(Lmax)大小,得出共晶的形成可以有效降低炸药的感度。共晶结构使炸药刚性和硬度降低、延展性和韧性提高。分别对空位、位错和掺杂三种晶体缺陷及完美的ε–CL–20/TATB共晶(010)切面进行力学性能、引发键键长、结合能和内聚能密度计算。比较工程模量、柯西压和泊松比等力学性能指标,发现常温及较低温下三种晶体缺陷均可以改善共晶的刚性和硬度,但在较高温度下位错和掺杂对共晶力学性能影响较为复杂。比较结合能和内聚能密度,发现缺陷体系中范德华力较完美共晶均降低,表明缺陷存在对体系稳定性有一定影响。通过对引发键最大键长的比较,发现了晶体缺陷会增加共晶感度。
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