含能材料起爆和致钝机理多尺度理论研究

The theoretical methods of quantum mechanics (QM), classical molecular dynamics (MD) and semi-empirical quantum MD, ab initial MD as well as dissipative particle dynamics (DPD) are systematically applied to investigate the decomposition, initiation and desensitization mechanisms at microscale and mesoscale for a series of energetic molecules (such as nitro, nitroamino and nitrate molecules), energetic crystals (such as TATB, HMX, RDX, CL-20 and PETN), and energetic composites (such as TATB, HMX, RDX individually based polymer-bonded explosives with multifunctional polymers) at different temperatures and shock wave intensities. The components, structures, interaction energies and mechanical properties of energetic materials are analyzed in terms of their relations with sensitivity. The effects of external and internal conditions on desensitiziation for energetic molecules, crystals and composites are explored. The desensitization mechanisms are revealed and the desensitization paths are proposed. By this project, not only many new phenomena and principles will be discovered and the academic level of basic theory will be improved, but also the references or instructions for the energetic materials’ safe use and high energy and insensitive materials’ design and manufacture will be provided.

运用量子力学（QM）、经典分子动力学（MD）、半经验量子MD和从头算MD以及耗散粒子动力学（DPD）等理论方法，对多系列含能化合物（如硝基、硝胺和硝酸酯类）分子、典型含能晶体（如TATB、HMX、RDX、CL-20和PETN等晶体）以及多类型含能复合材料（如以TATB、HMX和RDX为基与多功能高聚物组成的多类高聚物粘结炸药），分别地进行系统的微观与介观尺度的计算和模拟，研究它们在不同温度和不同强度冲击波作用下的分解反应和起爆机理；考察组成、结构、相互作用能、力学性能与感度特性之间的联系；探索内部和外界条件对含能分子、晶体和复合材料的致钝效应的影响，揭示致钝机理，建议致钝方法。通过本项目研究，不仅要发现许多新的现象和规律，提高基础理论学术水平；还要为含能材料的安全使用和高能钝感含能材料的设计和制备提供参考或指导。

运用量子力学（QM）密度泛函理论（DFT）方法，对硝酸酯类和叠氮硝基类多系列含能化合物的分子结构和分解机理进行了细致的比较研究，以引发键键级和键离解能关联感度和稳定性，设计出高能且稳定的品优化合物供合成实验参考。研究了不同压力下α-和β-RDX晶体的结构和感度判别，发现RDX的感度随其所受的静水压力增大而增大。. 运用从头算分子动力学（MD）理论方法，研究了含能晶体引发分解反应。TATB晶体热引发压力效应的研究，发现该热引发是由分子内的氢转移引起，压力影响氢转移的难易程度。通过与多尺度冲击技术（MSST）结合，研究了冲击加载下HMX、TATB和PETN晶体的分子结构和电子结构随时间的变化细节，以引发分解（断键）出现的时间和开始出现金属态的时间关联了冲击感度。. 运用经典MD理论方法，研究了含能晶体， HMX、RDX、CL-20、PETN和TNT以及CL-20/TNT和CL-20/HMX共晶，以其内聚能密度和引发键最大键长关联感度，并通过波动法计算预测其力学性能。研究了含能复合材料，CL-20/HMX共晶分别与聚氨基甲酸乙酯（Estane 5703）和端羟基聚丁二烯（HTPB）所构成的PBX模型，通过结合能的计算发现含少量Estane 5703的PBX稳定性和相容性更佳。研究CL-20/TNT共晶与含氟高聚物PVDF、F2311 和 F2313粘结性能，发现高聚物粘结剂分子中H与F、Cl原子比列恰当，有助于粘结剂分子的铺展，利于致钝。. 运用半经验QM MD理论方法，研究了含能复合材料，用基于自洽电荷―密度泛函紧束缚（SCC-DFTB）水平的半经验QM MD方法，研究HMX/PEG复合体系的热引发分解；该方法与MSST技术相结合，研究它们的冲击引发分解。发现在热引发分解条件下，PEG有着延迟引发分解的作用，即致钝作用，而在冲击引发分解条件下，PEG反而有着加速引发分解的作用。. 运用耗散粒子动力学（DPD）介观理论方法，模拟计算了5个不同温度下晶体CL-20、TNT和共晶CL-20/TNT炸药各自分别与含氟高聚物粘结剂F2311、F2313、PVDF、和PCTFE组成的12种PBXs体系。发现温度升高有利于含氟高分子伸长铺展，两种高分子结构单元与两种炸药分子的相互作用各不相同。