分子动力学模拟高分子共混含能材料的力学性能

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新型离子型含能材料二羟基铵5,5’-双四唑-1,1’-二醇盐(TKX-50)具有高储能、高爆轰速度、低感度和低毒等优异的性能,使其在军事和民用领域有很大的发展前景。在含能材料中添加高聚物粘合剂能改善高聚物粘结炸药(PBXs)的力学性能以提高安全性。本文以含能材料TKX-50为主体,利用统计弹性力学和非平衡分子动力学模拟,来研究高聚物黏合剂的添加浓度和结构对PBXs含能材料的力学性能的影响,并且从高分子和含能材料的构型变化分析PBXs的力学性能。本文首先在TKX-50中分别加入四种短链高分子,聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、聚缩水甘油醚硝酸酯(PGN)、聚四氢呋喃(poly-THF)和聚乙二醇(PEG)构建新的含能材料PBXs,其高分子的质量分数为1%、5%、11%。研究结果表明,随着高分子的浓度增加,PBXs的弹性模量越低,柔性增强,刚性减小。高分子的结构对TKX-50的力学性能改善效果不同,弹性模量的增大的顺序为poly-THF2)4]-(poly-THF)比-[O(CH22]-(PEG)的塑性改善更好。高分子主链结构相同时,支链-CH2ONO2比-CH2N3更有助于改善TKX-50的塑性。当高分子沿(100)面z轴插入TKX-50时PBXs的塑性是最好的,对这一体系进行非平衡态的拉伸分子动力学模拟,可知高分子加入使PBXs的最大应力和杨氏模量降低。四种高分子的杨氏模量大小顺序与弹性力学原理计算的结果吻合。拉伸的微观构型变化表明,GAP和PGN自团聚在TKX-50的表面,但PEG和poly-THF舒展平铺在TKX-50的表面。本研究另外选取了两种长链高聚物加入TKX-50。通过调节高分子链节长度来调整高分子添加的质量分数。其中聚双(叠氮基甲基)氧杂环丁烷(poly-BAMO)质量分数为3.83%和8.07%,聚双(氟甲基)氧杂环丁烷(poly-BFMO)质量分数为2.65%和8.60%。对这四种PBXs材料进行弹性力学计算可知,PBXs的杨氏模量和剪切模量降低,高分子黏合剂与TKX-50共混可以使炸药的弹性和塑性得到提高。而且黏合剂的浓度增加,体系变得更加柔软、钝感。poly-BAMO和poly-BFMO由于结构的不同对TKX-50力学性能有不同的影响,poly-BFMO对TKX-50弹性和塑性的改善效果更好,表明-CH2F支链比-CH2N3支链对TKX-50有更好的弹性和塑性改善效应。采用非平衡分子动力学模拟,拉伸形变结果表明高分子黏合剂与TKX-50共混可以使炸药的杨氏模量降低,弹性增强。随着黏合剂的浓度增加,体系的最大应力和杨氏模量均降低。拉伸的微观行为显示,炸药本体断裂容易发生在高分子链的端基,当断裂发生在高分子链的中段,断裂处的高聚物仍提供拉伸应力。拉伸性形变中高分子与TKX-50的作用与体系的弹性模量有关,当体系表现出更好的弹性,高分子作为黏合剂维持TKX-50晶体内部的结构,增强了共混材料的弹性。
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