典型炸药爆炸机理的量子分子动力学研究

最近我们在硝基甲烷的爆炸反应的微观机理研究中取得突破性进展，实现了完整的固体硝基甲烷热分解反应第一原理模拟，观察到75个中间体和100个化学反应，爆炸反应没有通过所谓的链式反应进行，而是通过多个低能态反应通道完成。最终反应产物是水，二氧化碳，氮气，以及 由CNCNC组成的长链分子。论文发表在Phys. Rev. Letter之上（105, 188302 (2010)）。 但这只是爆炸反应机理研究的第一步。本研究在以前工作的基础上，继续硝基甲烷的爆炸机理的研究，特别是低活化能反应通道的确定，以及在高压（如14 Gpa）和冲击加载条件下爆炸反应的机理和过程。然后把工作扩展到其他常用炸药（HMX，TATB等）的研究上去，用CPMD以及冲击加载的CPMD模拟爆炸反应机理，特别是反应的中间体和过渡态的确定。本课题对炸药性能评定、新型炸药的设计研制及炸药安全性和有效性评估具有重要指导价值。

含能材料作为完成各类武器发射、推进和毁伤的基本原料，是决定武器精度、威力和射程的关键因素，对经济和军事工业起着极其重要的作用。β-HMX作为一种典型的三硝基苯甲硝胺炸药，由于具有良好的热稳定性和较高的爆轰速度，已经成为各钟具有优越爆炸性能炸药以及火箭推进剂的重要组成成分。然而，有关该含能材料内在的分解机制尚不完全清楚。实际上，对含能材料的冲击加载过程并不是一个简单的压缩过程，也伴随着对其加热过程。这种同时包含力学及热力学效应的反应过程决定了对该含能材料初始化学反应过程的研究在实验上具有一定的局限性，因此很有必要从原子层面研究其内在的化学反应机制。利用分子动力学模拟方法结合多尺度冲击技术，我们对冲击压缩过程中β-HMX的初始分解机理、冲击感度以及高压下电子结构性质进行研究。研究表明，HMX的爆速在9.1 km/s左右，对于不同的冲击波速度8 km/s，10 km/s以及11 km/s，当冲击波速度为8 km/s时，分解反应过程中N-NO2键先断裂；当冲击波速度为10 km/s和11 km/s时，分解反应过程中C-H键先断裂，且同时伴有五元环的形成和氢离子的转移，即氢离子从-CH2基向相邻的-NO2基转移。当冲击波的速度增大时，产生的压强就越高，在高压下N-NO2键的断裂明显的受到了抑制。其次，研究了固相β-HMX 在受到不同方向冲击时其初始化学反应进程的差异性，进而比较固相β-HMX各个方向感度的大小。研究表明，高温更容易促进β-HMX化学分解，因此a轴和c轴的感度较高，b轴的感度较低。最后，研究了冲击波加载下固相β-HMX电子结构性质的变化。研究发现，在11 km/s的冲击加载下，当压力达到130 GPa时体系的带隙降为零。通过对体系的结构进行分析，发现体系中β-HMX单分子沿着冲击波方向的N-NO2键在冲击加载过程中发生了明显的弯曲，并且N-NO2键弯曲的速率与体系带隙降低的速率成正比。因此我们判定N-NO2键的弯曲是导致高压下β-HMX从绝缘体向金属转变的主要原因。