高能PBX炸药界面的复杂热力学、动力学和化学反应行为研究

The plastic bonded explosive (PBX) is widely used in military engineering and weapons. Its interface problem is the key issue to understand the property, safety, detonation delay, non-ideal detonation and non-shock initiation phenomena of mixture explosive. In this project, we study the dynamics, thermodynamics and reaction dynamics of interfaces inside PBX. A theoretical model is developed to describe the mechanics-physics-chemistry coupling behaviors of interfaces, and is used to understand the physical/chemical response of PBX at external loading in different strengths and time scales. Based on the scientific research, we build theoretical basis to predict the safety and performance of high energy explosives. The main work consists of four parts. First, we complete the interatomic potential database for interfaces inside PBX. And then, we study the thermal conduction, heat dissipation, shock dynamics and reaction dynamics behaviors at interfaces. Next, we build physical models to describe the thermodynamics, creep and reaction dynamics of PBX system. At last, we investigate the coupling of mechanical, physical and chemical processes, find the hot spot formation mechanism and initial detonation mechanism. The results are helpful for the design and safety application of energetic materials.

高聚物粘结炸药(PBX)在国防工业与武器装备中有广泛的应用，其不同组分之间的界面问题对理解混合炸药的物性、安全性、爆轰延迟现象、非理想爆轰现象和非冲击起爆现象具有重要意义。本项目研究PBX炸药内部界面的动力学、热力学和热分解反应行为，建立耦合力学、热学和化学反应的界面动力学模型，提出PBX炸药对不同时间尺度、不同加载强度下外界刺激产生的内部物理化学响应，为现代高能钝感炸药的安全性和爆轰性能预测提供理论基础。主要研究内容分为以下四部分：首先完善PBX炸药的界面原子势库；其次研究界面的热传导、热耗散、强冲击效应和热分解反应问题；然后在界面研究的基础上建立PBX炸药总体热力学性能、蠕变效应和热分解行为的物理模型；最后提出炸药耦合物理、力学和化学行为的热点形成机制及起爆机理。本项目从界面出发理解复杂PBX炸药系统的物理化学行为及耦合机制，为新型含能材料的设计与安全使用服务。

本项目建立并完善了炸药/添加剂界面原子势参数库，并系统计算了数十种PBX炸药的热力学参数，包括弹性模量、热膨胀系数、比热、格林爱森系数、状态方程和雨贡纽关系。基于对界面微观物理图像的理论分析，发展了一系列PBX炸药耗散/输运性能的理论计算方法，包括界面热传导率算法、界面热耗散率算法、PBX炸药应力驰豫关系算法，完成了复合炸药总体热传导率和热耗散率的物理建模。基于大规模分子动力学模拟开发了炸药热分解中间产物和反应方程式的提取算法，以此为基础研究了复合炸药的反应过程，获得了数百种热分解中间产物和数千种基元反应方程式。计算了大量基元反应的速率曲线，拟合获得了相应的反应速率参数，建立了PBX炸药爆轰基元反应速率参数库。项目组在理论方法和物理建模方面取得一系列原创性成果，如基于力常数理论建立了界面自由能、界面热容和界面热导率的算法，基于线性响应理论建立了界面热导、界面热耗散和界面摩擦系数的算法，基于声子涨落和分子旋转机制建立了PBX炸药的动力学响应方程。这些方法为研究炸药微介观尺度的输运、耗散和力学响应行为提供了基础。同时项目组建立了一系列参数库，包括界面原子势库、界面输运/耗散性能参数库、PBX炸药热力学参数库和基元反应速率参数库，为新型PBX炸药的安全性和爆轰性能预测提供了参数。