CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS
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计算与模拟——材料结构演化

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    • TATB与AOT溶液界面相互作用的分子动力学模拟

      2022, 30(6):597-603. DOI: 10.11943/CJEM2021311

      摘要 (261) HTML (175) PDF 1.78 M (5304) 评论 (0) 收藏

      摘要:为得到表面活性剂磺基丁二酸钠二辛酯(AOT)对1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)结晶过程的影响规律,通过分子动力学方法(MD)对TATB与AOT溶液的界面相互作用进行了研究。首先采用Morphology模块中的Bravis-Friedel-Donnary-Harker(BFDH)模型和Adhesion Energy(AE)模型,确定了真空中TATB晶体的7个主要晶面,然后建立了TATB晶面与AOT溶液的界面模型,进行了分子动力学方法模拟,并运用修正后的AE模型,对所得数据进行了处理。结果显示,真空中TATB晶体的主要晶面分别为(0 0 1)、(1 0 -1)、(1 -1 0)、(1 0 0)、(1 -1 1)、(0 1 -1)和(0 1 0)面,AOT溶液对TATB的结晶速率具有整体促进作用。通过分析TATB晶面结构及分子间相互作用,认为(0 0 1)面的特殊平面结构,导致其与AOT溶液的相互作用较弱,附着能较低,为119.832 kJ·mol-1,因此在结晶过程中生长速率相对较慢,而(1 0 -1)、(1 -1 0)、(1 0 0)、(1 -1 1)、(0 1 -1)和(0 1 0)晶面附着能较高(均高于119.832 kJ·mol-1),生长速度相对较快。因此,在结晶实验过程中,TATB首先呈现叶片状结构,随着时间推移,(0 0 1)面逐渐生长,最终呈现长叶片状结构。

    • DNTF原位红外热分解动力学及机理

      2022, 30(6):604-610. DOI: 10.11943/CJEM2021128

      摘要 (378) HTML (213) PDF 1.05 M (5506) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了深入研究3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)特征基团的热分解特性,采用差示扫描量热法(DSC)、快速扫描傅里叶变换红外光谱法(FTIR)分析了DNTF的凝聚相热分解特性;利用变温红外原位池技术在2.5,5.0,10.0 ℃·min-1等三种升温速率下研究了DNTF的特征基团随时间(温度)的变化;采用Coats-Redfern法计算得到了DNTF的硝基、呋咱环、氧化呋咱环的热分解动力学参数;基于DNTF的特征基团热分解特性,推测了DNTF的热分解机理。结果表明:DNTF特征基团的热分解受三维扩散机理控制,DNTF分子内的基团反应活性为硝基>氧化呋咱环>呋咱环,随着加热速率提高,各基团的反应活性表现出增大的趋势。推测DNTF热分解过程为C─NO2先断裂,然后连接呋咱环和氧化呋咱环的C─C键断裂,最后氧化呋咱环和呋咱环中N─O键断裂,且氧化呋咱环比呋咱环更快发生分解。

    • 基于多孔介质的某大口径装药床点传火特性

      2022, 30(5):502-510. DOI: 10.11943/CJEM2021172

      摘要 (234) HTML (144) PDF 1.75 M (6355) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了深入研究主装药的装填密度对点火药燃气在药床内传播特性的影响,搭建了某大口径密实装药床点传火系统试验平台,试验拍摄记录了火焰序列图及部分测压点压力变化情况;采用多孔介质模型模拟药室内的颗粒药床,建立了与试验装置对应的点传火系统模型,对点火药燃气在颗粒药床中的流动过程进行数值模拟,将模拟计算结果与试验结果进行对比,验证模型的可靠性,再计算不同装填密度下燃气在药床内温度场和压力场的传播特性。结果表明,计算所得与试验拍摄的火焰传播序列过程及试验测得的压力曲线均吻合较好,验证了模型的可靠性;在任意孔隙率条件下,0~10 ms时,火焰阵面轴向位移的发展较快,轴向速度由25~30 m·s-1减小到10 m·s-1,而10~40 ms轴向速度逐渐减小到2~3 m·s-1;同样,在任意孔隙率条件下,火焰阵面径向位移的发展集中在2.2~3.0 ms时段内,且3.0 ms时径向速度都将减小到20~22 m·s-1,但较大的孔隙率初始时刻的径向速度较大;当孔隙率由0.3增大至0.5时,药室内不同位置处的压力差由0.24 MPa减小到0.20 MPa,压力差减小了16.7%,点火的均匀性和瞬时性提高。随着孔隙率增大,点火传播过程中药室内火焰阵面的轴向和径向阻力减小,火焰阵面沿轴向的扩展位移越大,轴向和径向上的火焰传播初速度也越大,但末速度趋于一致;药室内的压力越小,药室内的压力差也减小。

    • J积分法研究温度对Al-PTFE反应材料断裂韧性的影响

      2022, 30(3):214-221. DOI: 10.11943/CJEM2021141

      摘要 (387) HTML (225) PDF 2.48 M (4769) 评论 (0) 收藏

      摘要:为探究聚四氟乙烯(PTFE)的温度引发相变特性对铝-聚四氟乙烯(Al-PTFE)反应材料断裂韧性的影响,通过开展准静态拉伸实验和断裂韧性实验,使用ASTM E1820单试样法中的归一化数据简化技术,对Al-PTFE的弹塑性断裂韧性进行J积分分析,结合试样断面微观形貌分析,明确了温度对Al-PTFE断裂韧性的影响。结果表明:随着温度的升高,Al-PTFE反应材料强度降低,断裂韧性增大,屈服强度和断裂韧性在跨越相变温度后呈现明显的突跃变化,裂纹扩展模式由脆性断裂转变为延性断裂。当PTFE处于结晶相Ⅱ状态时,能够拉伸形成的PTFE纤丝较少,而当温度升高,PTFE晶相向Ⅳ和Ⅰ状态转变时,稳定成形的PTFE纤丝能够通过局部塑性变形有效耗散外部能量,并依托缠绕桥接使裂纹尖端发生钝化,阻止裂纹扩展,从而提高材料断裂韧性。

    • α-CL-20和CL-20/H2O2中溶剂分子的扩散特性及其对共晶分解影响的分子动力学模拟

      2022, 30(1):2-11. DOI: 10.11943/CJEM2021066

      摘要 (518) HTML (272) PDF 2.68 M (5981) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了研究H2O和H2O2溶剂分子对含能共晶热稳定性的影响机制,采用分子动力学(MD)模拟方法对α-CL-20和CL-20/H2O2(正交、单斜)中溶剂分子的扩散行为及其热解机理进行了研究。结果表明,H2O和H2O2都会随着温度的升高从晶胞中扩散出来,其中H2O分子扩散得更快;温度低于500 K时单斜晶型CL-20/H2O2晶格框架具有阻碍溶剂分子H2O2扩散的作用,而温度高于500 K时,这种阻碍作用将不复存在。热分解过程中,α-CL-20释能最慢,且其中CL-20的分解也是最慢的;温度低于1500 K时,溶剂分子对含能组分热解呈现出一定的稳定化作用,但此作用随着温度的升高而消失。此外,溶剂的存在能明显增加晶格能。

    • PBX-9502的热循环不可逆变形机理数值模拟分析

      2021, 29(12):1152-1159. DOI: 10.11943/CJEM2020091

      摘要 (463) HTML (204) PDF 2.34 M (2113) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物黏结炸药PBX-9502的热循环致不可逆变形机理问题,在考虑TATB晶粒的各向异性、黏结剂以及晶粒/黏结剂界面局域热力学性能的差异性基础上,采用三相微结构模型和扩展有限元法(XFEM),建立了计算模型,并对不可逆变形现象进行了数值模拟与分析。结果表明:由于PBX-9502中TATB晶粒的严重各向异性,以及TATB晶粒与黏结剂热力学性能的差异,在热循环加载过程中,PBX-9502试件内部产生了变形不协调与应力集中,致使黏结剂破坏和晶粒/黏结剂的界面脱黏等内部损伤,进而导致PBX-9502试件的热循环不可逆变形,计算结束时,PBX-9502试件的轴向应变达到了0.2%。

    • DNP/DNTF低共熔物的二元相图及熔融动力学

      2021, 29(4):308-314. DOI: 10.11943/CJEM2021039

      摘要 (547) HTML (665) PDF 732.21 K (4342) 评论 (0) 收藏

      摘要:为获得3,4-二硝基吡唑(DNP)/3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)二元混合体系的相图,深入了解其低共熔物的熔融过程,采用差示扫描量热法(DSC)研究了不同比例的DNP/DNTF混合体系的液化及熔融过程,建立了液化温度Tl与组成xT-x相图、熔融焓ΔH与组成xH-x相图;研究了不同升温速率5,10,15,20 ℃·min-1,不同添加剂奥克托今(HMX)、高氯酸铵(AP)和硝基胍(NQ)对低共熔物熔融过程的影响;通过Kissinger方程和Šatava-Šesták方程计算得到了低共熔物熔融过程的动力学参数活化能Ea、指前因子A和最概然机理函数。结果表明,从T-x相图得到的DNP/DNTF低共熔物的质量百分比为70.38/29.62,低共熔温度为76.38 ℃;由H-x相图得到的低共熔物组成为70.57/29.43。随升温速率的升高,熔融反应的开始温度和峰温延迟;HMX和NQ的加入使低共熔物的熔点明显后移,AP的加入对熔点影响不大。DNP/DNTF低共熔物的熔融动力学参数EaA为19.13 kJ·mol-1和109.74 s-1,最概然机理函数的积分形式为:Gα)=(1-α-1-1。

    • 炸药压制工艺参数对空心装药质量影响的仿真研究

      2021, 29(3):202-210. DOI: 10.11943/CJEM2020224

      摘要 (403) HTML (375) PDF 1.81 M (2770) 评论 (0) 收藏

      摘要:空心装药通常采用压制成型工艺,为了研究工艺参数对装药质量的影响,采用基于连续介质力学的方法,建立了空心JO-9159炸药压制过程有限元仿真模型,仿真分析了JO-9159炸药压制成型过程的相对密度、位移以及等效应力变化规律。在此基础上,针对压制速率、初始相对密度以及摩擦系数3种主要工艺参数对JO-9159炸药压制成型质量的影响进行了仿真与分析。结果显示:压制过程中JO-9159炸药粉末主要是轴向流动,靠近阴模区炸药流动相对缓慢;压制速率为0.5 mm·s-1时、摩擦系数为0.25时,成型后装药相对密度较为均匀,回弹量较小。

    • 不同频率飞秒激光脉冲序列加工炸药过程安全性的数值计算

      2021, 29(3):192-201. DOI: 10.11943/CJEM2020183

      摘要 (326) HTML (159) PDF 1.24 M (2746) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了研究飞秒激光加工炸药技术的安全性,建立了飞秒激光脉冲序列加工炸药的计算模型,考虑了炸药在受热条件下的自热反应。采用数值计算的方法对飞秒激光脉冲序列烧蚀炸药(TNT,TATB和HMX)的过程进行了计算,分析了飞秒激光脉冲序列加工炸药过程的安全性。计算结果表明,飞秒激光脉冲序列频率、炸药自热反应放热量和热扩散系数会显著影响加工过程的安全性。在这三种炸药中,HMX自热反应的放热量最大,热扩散系数最小,因此热累积效应最明显,在三种不同频率(1×103 Hz,1×105 Hz和2×105 Hz)的飞秒激光脉冲序列作用下均发生了点火;相反,TATB的热累积效应最弱,在三种不同频率的飞秒激光脉冲序列作用下均未发生点火;TNT的热累积效应介于HMX和TATB之间,因此只在频率较高的飞秒激光脉冲序列作用下才发生点火。在实际加工过程中,特别是对自热反应放热量较大和热扩散系数较小的炸药,为保证加工过程的安全性,应尽量选用频率较低的飞秒激光脉冲序列对其进行加工。

    • 2,4-二硝基苯甲醚基钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆特性

      2021, 29(2):88-95. DOI: 10.11943/CJEM2020238

      摘要 (585) HTML (311) PDF 2.23 M (2963) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了探究钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆特性,建立化学爆炸加载一维拉格朗日锰铜压阻测试系统,获得了不同加载压力下一典型2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆过程压力成长历史。利用熔铸含铝Duan-Zhang-Kim(DZK)细观反应速率模型,确定了该钝感含铝炸药的反应速率模型参数,并对其冲击起爆过程进行了数值模拟研究。结果表明在钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆过程中,波阵面附近炸药的反应速率和反应程度均较低,而随着热点点火反应的进行以及化学反应的不断累积,炸药的波后化学反应速率不断增加,并在一段时间后到达峰值。当加载压力越高时,钝感熔铸含铝炸药内部的爆轰成长速率越快。同时,与粒子速度成长历史相比,压力成长历史包含更多的反应速率变化信息,更适用于反应速率模型的验证以及炸药反应流模型参数的确定。

    • 含缺口PBX药柱热冲击响应的数值模拟及试验

      2021, 29(1):41-47. DOI: 10.11943/CJEM2019237

      摘要 (361) HTML (246) PDF 9.22 M (2710) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对脆性高聚物黏结炸药(polymer bonded explosive, PBX)的热应力破坏问题,开展了缺口药柱热冲击响应的数值模拟和实验研究。采用温度相关的热弹塑性模型对PBX药柱在50 ℃平衡温度、10 ℃·min-1条件下的热传导和热应力进行了二维轴对称仿真分析,并利用温度-应变-声发射监测技术,在温度箱风冷试验中进行了验证。数值模拟结果表明,降温温度冲击过程中,受热近表面存在一种温度边界层,使内外表面产生较大温差,并在药柱柱面中心产生超过PBX拉伸强度的轴向拉应力;位于柱面中部的缺口使热应力放大,并加剧试样破坏的进程,其中R2的缺口圆柱的应力梯度变化最明显,应力集中系数超过1.6。实验结果表明,PBX药柱热冲击破坏方式为表面拉伸热应力超过材料拉伸强度导致的脆性断裂破坏,热冲击破坏时的信号特征表现为应变发生突变并产生高幅值声发射信号。数值模拟得到的缺口药柱、无缺口药柱的临界断裂温差分别为8.3 ℃和12.6 ℃,试验数值分别为9.2 ℃和12.5 ℃,二者吻合良好。

    • 曲面PBX构件内部裂纹小角度斜入射超声检测数值模拟

      2021, 29(1):29-34. DOI: 10.11943/CJEM2019260

      摘要 (568) HTML (290) PDF 5.41 M (3776) 评论 (0) 收藏

      摘要:为探究裂纹分布、形态等复杂性对高聚物黏结炸药(PBX)曲面构件中超声传播特殊性的影响,优化水浸超声斜入射检测参数,基于有限元方法和典型检测工况,建立了曲面PBX构件超声无损检测的数值计算模型,利用COMSOL商用软件计算分析了表面瞬态位移激励下曲面PBX构件内部声场传播规律,模拟计算了不同角度及裂纹的超声检测信号,研究了入射角度等参数对曲面PBX构件裂纹水浸超声小角度斜入射检测结果的影响。数值仿真结果表明,声束与裂纹夹角为8°~10°时,小角度斜入射超声检测方法对PBX构件的内部裂纹缺陷的检测性能最优,且不受裂纹深度的影响。同时,设计制作了曲面PBX模拟试件,搭建了小角度超声检测实验系统,开展了不同入射角度、裂纹参数下的超声检测实验,实验所得最优检测角度(8°)与仿真结果(8°~10°)吻合,验证了数值模拟结果的合理性和小角度超声检测的有效性。

    • 基于CT图像的高聚物黏结炸药颗粒边界勾勒算法

      2021, 29(1):7-12. DOI: 10.11943/CJEM2020062

      摘要 (398) HTML (193) PDF 8.11 M (3756) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了研究TATB基高聚物黏结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)内部颗粒边界分布,需要对PBX炸药通过计算机层析成像技术(Computed Tomography,CT)扫描得到的低质量原始图像进行分析,开发自动化炸药颗粒边界勾勒算法。对原始图像利用灰度统计信息和二值化方法计算得到二值化炸药颗粒草图,提出弹性胶囊算法从二值化草图中识别炸药颗粒的粗略边界,再结合形态学变换和分水岭算法识别出更精确的炸药颗粒单像素边界,最后结合灰度值统计数字特征和弹性胶囊粗略边界图信息调整边界宽度与灰度,得到最终边界勾勒结果。将该基于弹性胶囊和分水岭算法的边界勾勒结果与Canny算法、相位一致性算法、经典分水岭算法流程、基于超像素算法等有代表性的图像分割算法输出进行横向比较,结果表明该边界勾勒过程识别的准确度明显更高,并且通过单幅图像确定的算法参数在同批次样品其他图像中同样具有良好的效果,在满足边界提取精度要求的基础上,无需反复调整参数即可处理批量图像数据,缩减人工的投入,证实了自动化边界勾勒算法的实用价值。

富氮杂环含能化合物的创制

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