硝酸铵冲击响应的温度影响机制研究

The Multi-Explosion phenomenon in the "8.12" hazardous chemical explosion accident and the slow thermal decomposition of AN under high environment temperature demand that it is essential to study the ignition and initiation mechanism of ammonium nitrate under the coupling stimuli of pre-heating and shock loading. The effect of temperature on the shock response of ammonium nitrate could be divided to three factors: (1) temperature induced phase transformation of ammonium nitrate the volume and density of AN; (2) thermal decomposition of ammonium nitrate under elevated temperatures; (3) chemical impurity of slow chemical decomposition accelerated by high environment temperature. All the temperature induced physicochemical property variation affects the shock response of ammonium nitrate. The experimental test procedure that applying shock loading after being heated to different initial temperatures only character the comprehensive effects of temperature, thus it is difficult to strictly distinguish the influence of different factors. Molecular dynamics simulation is able to design shock loading under ideal effect of single factor, to compare the influence of different factors on the shock induced chemical reaction kinetics of ammonium nitrate. The project intends to adopt reactive molecular dynamics simulations combined with shock loading experiments to study the shock response of ammonium nitrate under different temperature conditions. The simulated results and test results will be compared with each other to analysis the influence of different factors on the shock reaction kinetics of ammonium nitrate, obtaining the mechanism how temperature affect the shock response of ammonium nitrate. The research results are of great significance for a clear understanding of the cause of ammonium nitrate accident, guiding the safe use and storage of ammonium nitrate, effectively controlling the accident of ammonium nitrate and improving the safety of ammonium nitrate.

“8.12”事故中多次燃爆现象以及仓储运输过程环境高温导致的缓慢热分解导致安全性变化表明有必要对受热后硝酸铵的点火起爆特性进行研究。不同温度对硝酸铵冲击响应的影响可以细分为下列三个因素：（1）温度导致的相变；（2）高温下热分解；（3）长期环境高温导致的缓慢热分解。温度导致的物性变化会影响硝酸铵的冲击点火过程，试验加载只能表征不同因素对硝酸铵冲击响应的影响规律，分子动力学模拟计算可以获得物性变化影响冲击化学反应的微观反应细节。因而本项目拟采用反应性分子动力学模拟计算结合试验开展不同温度条件下硝酸铵的冲击响应机制研究，以冲击加载试验获得不同因素对硝酸铵冲击响应特性的影响规律并校核理论计算的准确性和有效性，以理论计算分析不同因素对硝酸铵冲击化学反应路径的反应产物的影响，获得温度对硝酸铵冲击响应的微观影响机制。研究成果为认识硝酸铵受热后安全性变化、改进硝酸铵安全性、预防硝酸铵事故提供理论和试验支撑

硝酸铵广泛应用于工业生产和农业实践，在国民生产中发挥着重要的作用。作为工业炸药核心成分，硝酸铵具有爆炸性，在受到热或外界冲击、撞击等刺激作用下可能点火起爆。硝酸铵用量巨大，意外爆炸可能导致极其严重的后果：1947年，美国两起硝酸铵事故导致超过1000人死亡；2001年法国硝酸铵工厂爆炸造成29人死亡，2500人受伤；2015年8月12日（“8.12”）天津港事故中硝酸铵作为重要能量来源参与了爆炸。“8.12”事故中多次燃烧爆炸的现象表明必须深入对硝酸铵受热后的点火起爆机制开展研究。.针对硝酸铵受热后物理形貌变化和化学成份改变两方面的特性，本项目采用反应性分子动力学模拟计算，分别开展了高温导致的理化性能变化对硝酸铵冲击化学反应的影响规律研究，结果表明物理形貌的变化和一定含量的杂质并不影响冲击化学反应路径，但对冲击化学反应速率有一定影响。.高温条件下硝酸铵将发生阴阳离子自由移动和熔化，这些物理形貌的变化显著影响硝酸铵的冲击化学反应。本项目建立了小颗粒堆积和熔融无定形态模型以代表典型物理形貌变化，开展了冲击加载模拟计算。结果表明小颗粒堆积和熔融态相对晶体硝酸铵明显降低了冲击化学反应刺激强度阈值，使其在更低速率冲击加载作用下发生了明显的冲击化学反应。小颗粒堆积和熔融态还加速了硝酸铵的冲击化学反应，同等冲击速率条件下其冲击化学反应速率常数可达硝酸铵晶体的8倍以上。.本项目基于文献调研和DFTB+高温热分解模拟计算，确定了硝酸铵热分解产物。建立含NH3、H2O、NO2、O2和HNO3五种典型杂质的硝酸铵模型，开展了冲击加载模拟计算，结果表明杂质并不影响硝酸铵冲击化学反应途径，对化学反应速率存在一定程度的影响。.本项目研究表明高温下物理形貌的变化对于硝酸铵快速冲击化学反应的影响远大于化学杂质，高温熔融显著促进了硝酸铵的冲击化学反应，使其对冲击刺激更为敏感，降低了硝酸铵的冲击点火刺激阈值强度并增大了其冲击化学反应速率常数。