炸药晶体特性与冲击诱导热点内在关联的大规模反应动力学研究

The relation between explosive crystal properties and hot-spots formation mechanism becomes an important research content in recent years. The hot-spots formation under shock loading is found to be strongly related to the properties of energetic crystals, such as crystal shape, surface roughness, and internal defects. However, it is extremely difficult to obtain detailed information of hot-spots formation process and reaction mechanisms by experiments, making it hard to uncover the inherent relation between explosive crystal properties and shock-induced hot spots. Fortunately, using large-scale reactive dynamics method to study the effects of explosive crystal properties on shock responses from microscopic viewpoint can provide detailed descriptions at atomistic level, complementing the deficiency of experiments. This project is intended to employ large-scale ReaxFF-MD method to study the inherent relation between explosive crystal properties including surface shape, surface roughness, and internal void and shock-induced hot spots. This is helpful to reveal the microscopic mechanisms of crystal properties influencing shock responses and to evaluate the role of each factor of crystal properties in determining shock-induced hot spots and their coupled effects. The final objective is to gain more understanding about how crystal properties affect the shock sensitivity of explosives and to provide theoretical support for designing insensitive high energetic materials.

炸药晶体特性与热点形成机制的关系是目前国内外含能材料研究领域的热点之一。炸药的晶体特性包括晶体表面形状、表面粗糙度及晶体内部缺陷等，被认为与冲击载荷下热点的形成紧密相关。但是，目前很难通过实验手段直接获得炸药内部热点的形成与演化以及反应机理等详细信息，因而难以揭示炸药晶体特性与冲击诱导热点的内在关联。利用大规模反应动力学模拟，从微观角度研究炸药的晶体特性与冲击响应的关系能够为这一问题提供原子层次上的细节描述，弥补实验的不足。本项目拟采用ReaxFF反应立场和分子动力学方法，通过大规模反应动力学模拟系统地研究炸药晶体特性的三要素（表面形状、表面粗糙度、内部孔洞）与冲击诱导热点的内在关联。这将有助于揭示晶体特性对冲击响应的微观影响机制，评估炸药晶体特性各要素对冲击响应的影响程度以及多要素的耦合作用，深化对晶体特性如何影响炸药冲击波感度的认识，同时为炸药安全性评估和高能低感炸药研制提供理论支撑。

单质炸药的晶体特性对炸药的性能如感度、安定性、机械强度的影响机制是目前国内外含能材料研究领域的热点之一。炸药的晶体特性如晶体内部缺陷、表面、界面等被认为与冲击载荷下热点的形成紧密相关，从而影响炸药的起爆和冲击波感度。然而，对于冲击载荷下热点的形成与演化、能量的转化以及化学反应等物理化学动力学过程和机制仍然缺乏深入的认识和理解，且这些发生在极短时间尺度和极小空间尺度的过程很难通过现有的实验手段进行观测。本项目中，我们采用ReaxFF反应立场和大规模分子动力学方法，通过构建合理的模型，从微观角度对炸药晶体特性的几大要素如内部孔洞、表面、界面与冲击诱导热点的内在关联进行细致的研究，为上述问题提供原子层次上的详细信息和深入认识。通过研究，我们获得了对晶体特性如何影响炸药冲击响应的深入认识，包括孔洞的塌缩过程和机制、热点形成过程和机制、化学反应机理等重要信息，孔洞尺寸、冲击强度、孔洞间相互作用和孔洞几何形貌对整个动力学过程的影响规律，晶体的冲击各向异性对冲击波的传播、温度及压力分布的影响规律以及晶体间空隙对热点形成的影响规律，揭示了晶体特性与冲击形成热点的内在关联。这些研究成果对于认识凝聚相炸药的冲击起爆和感度具有重要的科学意义，也为在晶体水平提高炸药的安全性和评价晶体特性对冲击波感度的影响程度提供了理论支持和参考。