冲击下HMX晶体微结构的形成及点火机理研究

Localazation and dissipation of the enegy of high pressure-short duration shockwaves occur in complicated ways, resulting in crystal derformation and then formation of defective micro-structures，and final random ignition and growth. In the state of art,the difficulties and the core problems of explosive inigtion involve the mechanism of the formation of defective micro-structures under shock or impact, the collapsing of the defects and the evolutions of temperatures. These two problems are still big challenges today. Molecular dynamics simulations based on a flexible molecule force field and A reactive Force Field（ReaxFF）and associated with shock loading techniques are employed to effectively investigate the two core problems.The stress distributions, temperature distributions and products evolution of crystals containing defective structures in the initial stage of ignition are aimmed to be obtained in order to reveal the ignition mechanism of explosive under shock at the atomic level. This research effort is to provide new means for the establishment of macro combustion and detonation models; the microcosmic ignition mechanism of explosive under shock is helpful to the prediction of sensitivity. This knowledge can present supportive reference for the safety evaluation and improvement of ammunitions.

冲击波能量在晶体材料内部以复杂的方式进行作用，造成晶体形变，进而产生微观缺陷，并可引发炸药的随机点火与增长。目前炸药冲击点火微观机理研究的难点及关键点在于两个方面，一个是在外界冲击或撞击作用下炸药缺陷微结构的形成机理；另一个是缺陷微结构的破坏过程及相应的温度提升与演化过程。目前清楚地理解这两个问题仍面临很大挑战。本项目拟采用分子动力学方法对典型炸药HMX晶体内部冲击波作用过程展开研究，获得外力作用下晶体形变和微观缺陷结构的产生机制，获得含缺陷微观结构的晶体内部的应力响应、温度响应及起爆阶段反应产物分布，解析不同微结构对冲击波感度的影响机制，揭示炸药冲击波点火微观机理。研究结果将对建立宏观的燃烧和爆轰模型带来新思路，典型炸药晶体冲击波点火微观机理有助于炸药感度的准确预测，这些知识将为武器弹药安全性评估及改善提供参考。

炸药冲击波感度对炸药安全性、战场易损性有重要影响，而冲击波感度容易受到晶体形变和微观缺陷的影响。深入理解炸药晶体冲击点火微观机理，对理解、有效预测和设法降低炸药冲击波感度具有重要意义。本项目围绕炸药冲击点火微观机理研究两个关键点，即在外界冲击或撞击作用下炸药缺陷微结构的形成机理；以及缺陷微结构的破坏过程及相应的温度提升与演化过程，开展了如下研究工作，1）炸药晶体在外界冲击和撞击下导致的拉伸变形、破坏及缺陷产生过程模拟；2）冲击波作用下多种炸药晶体微结构扩展、坍塌、点火机理模拟研究；3）缺陷浓度对冲击波加载响应的影响研究；4）体缺陷空间分布对冲击波加载响应的影响研究；5）试验研究与验证。.本项目在拉伸变形、破坏及缺陷产生过程的模拟研究中，发现完美晶体在拉伸过程中首先出现延展现象，随着拉伸的持续进行，在中间位置首先出现一个小的孔洞，随后孔洞增多变大，最终晶体被拉断；带均匀多孔洞带状分布晶体在拉伸开始后也是首先出现延展现象，但后续晶体破坏模式和完美晶体不同，为建模提供了参考作用。获得了孔洞、气泡、包藏等微结构对炸药冲击波作用响应过程的影响，得到了含缺陷炸药晶体在冲击下初始反应机理、详细的反应路径、反应产物的结构、体系的温度应力演化等信息；初步认识了不同缺陷在冲击波作用下的响应情况和相对的感度排序；首次量化了缺陷分布对冲击波加载响应过程物理量的影响规律，形成了一套可用于精细分析炸药点火机理的分子动力学前后处理程序软件代码及模拟方法。开展了基于电炮试验、压缩剪切试验、机械感度试验的试验研究与验证。.本文获得了对炸药缺陷微结构的形成、研究典型炸药缺陷微结构的破坏过程、相应的温度演化、分解路径、产物的种类数量和空间分布情况的认识，从而在原子分子层面加深了对炸药点火微观机理的理解。上述研究结果可对建立宏观的燃烧和爆轰模型带来新思路，可为武器弹药安全性评估及改善提供参考。