炸药晶体的品质直接影响炸药的服役寿命和使用性能,而在制备、加工过程中,不可避免地会引入异相分子、微孔等微损伤使得炸药的晶体品质劣化,微损伤使得晶体结构在微观尺度上的完整性遭到破坏,进而影响炸药在使用过程中的稳定性、安全性、力学性质和感度等。得益于并行计算技术和分子动力学(MD)方法的快速发展,可以通过构建微观尺度上HMX晶体的模拟模型研究其在宏观上的性质,实时观测分子尺度上结构的变化。本文应用Materials Studio软件中的Forcite模块计算了 β-HMX晶体中存在异相分子(α/δ/γ-HMX,RDX)时体系稳定性、感度和力学性质等的变化,应用LAMMPS程序研究了拉伸加载下微孔的存在对HMX晶体中微结构演化的影响。本工作研究的主要内容及结论如下:(1)基于Materials Studio软件构建了不同摩尔比下α,δ,γ-/β-HMX双相混晶体系的模拟模型,结果显示α/β-HMX、γ/β-HMX和δ/β-HMX三种混晶结构结合能的大小顺序为1:1>1:3>1:5>1:7>1:11>1:9,这表明混晶体系在低摩尔比时具有更加稳定的结构,特别是在1:1摩尔比时,所有混晶结构的结合能均取得最大值。HMX形成双相混晶结构后,其激发键键长不会有明显的变化,但是其内聚能密度(CED)值随着β相HMX分子含量的增加逐渐降低,说明炸药的结构越无序,其感度较高,安全性越低。同时,当摩尔比从1:1升到1:11时,混晶体系的弹性模量(E),体模量(K)和剪切模量(G)呈现明显的下降趋势,而其柯西压(C12-C44)和K/G升高,这表明混晶体系抗变形能力减弱,而延展性、韧性增强。(2)对于不同炸药间的混晶体系,本文构建了 β-HMX与RDX的混晶模型,同时为方便对比,构建了相同分子摩尔比的HMX/RDX共晶结构。结果表明当温度从220K升高到380K时,HMX/RDX混晶和共晶体系的结合能逐渐降低,热稳定性变差。而且,混晶的结合能远比共晶的值小,所以混晶结构更不稳定。随着温度升高,β-HMX单晶及其混晶、共晶体系的激发键(LN_NO2)最大键长不断增大,内聚能密度(CED)单调递减,这说明温度与炸药的感度呈负相关关系,高温使得炸药感度升高,安全性变差。而且,对比LN-NO2和CED值,共晶的感度要好于β-HMX和混晶。在整个模拟温度区间内,混晶、共晶模型的杨氏模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)值均小于β-HMX和RDX单晶的值,故而HMX/RDX的混晶、共晶结构具有较弱的抗变形能力。与共晶相比,混晶具有较低的K/G和C12-C44值,延展性和韧性较差,安全性更低。综合而言,HMX/RDX混晶的性能较差,可考虑通过共晶提升两种炸药的性能。(3)微孔是HMX晶体中最常见的损伤形式之一,本文应用LAMMPS程序构建了 HMX晶体中含微孔的损伤模型,采用分子动力力学(MD)方法研究了拉伸加载下微孔尺寸对炸药晶体中应力分布、力学性质和开裂机制的影响。结果表明微孔的存在使得体系的开裂能垒和最大开裂应力降低,而且,随着微孔半径的增大,模型的极限屈服应力、屈服应变逐渐减小,这表明微孔的增大使得晶体更容易开裂;从应力-应变曲线的屈服阶段可知,HMX完美单晶体在很小的应变下即达到了应力的最低值,而损伤模型则经过了一个相对缓慢的过程,这说明完美单晶的开裂位移较小,开裂模式为脆性开裂,而损伤模型的较大,为塑性开裂。随着应力的集中程度不断升高,体系内开始出现微孔、塑性变形区域等微观损伤,微孔沿着应力集中的方向不断生长、扩展,逐渐与主裂纹融合,加速HMX炸药晶体的失效;在拉伸加载下,单晶模型内孔隙率直到应变ε=0.10时才开始增大,含3nm微孔的损伤模型则从ε=0.035时开始生长,因此微孔越大,体系越容易遭到破坏。(4)对于含双孔的损伤模型而言,微孔间距的增大,使得模型的开裂能垒、开裂应力和极限屈服应力均增大,这表明微孔之间距离越小,HMX损伤模型越容易发生开裂,其原因是微孔间距较小的模型更容易在微孔周围累积应力,使得体系内应力更容易集中,而且微孔之间的相互作用在拉伸过程中不断增强,致使体系更容易被破坏;从屈服阶段的应力-应变曲线可知,随着微孔间距逐渐变大,应力随应变的增大而迅速减小,而且在体系完全失效后,微孔间距小的模型残余的应力较小,这是因为微孔之间的相互作用使得体系更易贯穿,而孔间距较大时,体系内出现大量的塑性变形区域,是塑性开裂方式。体系内应力的不断累积,使得微孔、亚裂纹等损伤在裂纹的扩展路径上不断产生,并在持续拉伸下持续生长、扩展,逐渐与主裂纹融合,加速HMX炸药晶体的失效;当体系处在弹性变形阶段(ε<0.05),体系内微结构变化主要为形成许多点状和线状的塑性变形结构;当进入到塑性变形阶段,微孔周围的应力集中区域增多,集中程度更高,同时体系内孔隙分数迅速升高,所不同的是,微孔间距增大时,微孔间的相互作用减弱,使得体系在拉伸下产生了大量的塑性变形区域,开裂的方式主要为塑性开裂。(5)对于含多个微孔的HMX炸药晶体而言,微孔数量的增多使得体系的弹性模量、极限屈服应力、开裂能垒和最大开裂应力均变小,这说明微孔数量增多,使得体系更容易变形、开裂,这是因为在拉伸过程中,含微孔数量较多的模型能够更容易、更快地在微孔周围累积应力,使得体系内应力更容易集中;当体系的应变达到一定程度时,微孔周围的应力集中区就会聚集到一起,在进一步的拉伸加载下,很容易在体系内形成塑性变形区域,加速微孔之间的贯穿,进而形成较大的裂纹;在裂纹的扩展路径上不断有微孔、亚裂纹等损伤形成,这些损伤在持续拉伸下沿着应力集中的方向不断生长、扩展,逐渐与主裂纹融合,加速HMX炸药晶体的失效。当应变ε<0.03时,体系处于弹性应变阶段,内部微结构的变化主要为形成许多点状和线状的塑性变形区;当ε>0.03时,5个模型开始逐渐进入塑性变形阶段,微孔周围的应力集中区域更多,集中程度更高,使体系内孔隙分数迅速升高;当体系进入屈服阶段,模型在拉伸加载下加速开裂,开裂过程以微孔之间的贯穿为主,这里以含3孔的模型最为突出,其在应变为0.26674时即完全开裂。