高聚物黏結劑對RDX 基含鋁炸藥性能影響的數值計算及實驗驗證

陶 俊，王曉峰，趙省向，王彩玲，韓仲熙，刁小強

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

A－IX－II炸藥是20世紀50年代前蘇聯開發使用的壓裝含鋁炸藥，用于航炮彈、半穿甲彈及高拋榴彈裝藥，也是我國20世紀50年代后主要研制和發展的含鋁壓裝炸藥［1－2］。盡管該炸藥可以滿足分步壓裝工藝對流散性等性能的需求，但存在成型性差、壓制密度低、鋁粉漂浮嚴重、安全隱患大等問題［3－5］。壓裝含鋁炸藥的發展趨勢是在保證其能量及安全性的前提下，使其擁有良好的工藝性、成型性以及力學性能。在以蠟和硬脂酸為鈍感劑的含鋁炸藥中通過添加高聚物黏結劑的方式制備壓裝PBX炸藥，可以有效改善炸藥的成型性和力學性能［6］。

運用分子動力學模擬高聚物黏結炸藥及其組分的結構和性能有助于指導其配方設計。T．D．Sewell等［7］計算了不同晶型HMX 的彈性系數和模量，其中β－HMX 在常態條件下體模量的模擬計算值與理論計算值相吻合；許曉娟等［8］模擬計算了不同黏結劑／CL－20體系的結合能、相容性、安全性、力學性能和能量性能。

由于乙烯－醋酸乙烯酯共聚物（EVA）分子中的乙烯基部分具有潤滑性的長C－H 鏈節，極性的醋酸乙烯部分（Lewis堿）對炸藥中的硝基（Lewis酸）具有親和力，特別是對環硝胺類炸藥具有良好的黏附性，加之EVA 良好的成膜性，因此對炸藥晶體的包覆效率較高［9］。本研究在A－IX－II炸藥中添加EVA 制備了含鋁PBX，對A－IX－II炸藥及含鋁PBX炸藥進行了分子動力學模擬，并對計算結果進行了試驗驗證，兩者的一致性較好，為壓裝含鋁PBX炸藥的配方設計提供參考。

1 模型的建立及計算

1．1 力場選擇

Compass力場中多數力場參數的調試確定都基于從頭算數據，之后以實驗數據為依據進行優化，再以分子動力學（MD）求得液態和晶體分子的熱物理性質精修其非鍵參數；另外，Compass 對RDX 分子的優化構型與量子力學優化構型符合得很好，且基于Compass力場預測的RDX 晶胞結構也與實驗相符［10－11］。因此，選擇Compass力場對RDX 基含鋁PBX炸藥進行模擬。

1．2 硬脂酸、石蠟及EVA 平衡構象的構建

按照硬脂酸的分子結構式構建了硬脂酸的化學結構；對石蠟的分子結構進行簡化，簡化為C17H36的直鏈脂肪族烷烴；按照實際使用過程中單體的共聚比例構建了EVA 的分子結構，聚合度為10。構建的鈍感劑及黏結劑的分子結構如圖1所示，分別對其結構進行優化。

圖1 鈍感劑的分子結構Fig．1 The molecule structure of desensitizing agent

用Materials studio軟件中的Discover模塊，以Compass力場進行MD 模擬，選取NVT 系綜，在真空條件下，采用Anderson恒溫器，溫度為298K，時間步長為1fs，總模擬時間為300ps，獲得的最終構象為高聚物鏈的平衡構象。

1．3 A－IX－II平衡構象的構建

RDX 晶體結構以X－ray衍射結果為依據，按照A－IX－II配方中各組分的質量比建立初始模型。選取RDX（2×2×3）和Al（3×3×1）模型，將其隨機放入20nm×20nm×20nm 周期箱中，并隨機加入2條硬脂酸分子、3 條石蠟分子。在Compass力場下進行常溫NVT 20ps MD 模擬，使體系達到平衡；然后縮小周期箱體積，同時進行MD 模擬，以達到新的平衡；重復此過程直到體系的密度接近其理論密 度（1．81g／cm3）。取 最 終 構 象，設 定 溫 度 為298K，進行2ns的NVT－MD 模擬，前1ns用于熱力學平衡，后1ns用于統計分析，每10fs取樣一次，共得10 000幀軌跡。

1．4 含鋁PBX炸藥平衡構象的構建

按照含鋁PBX炸藥配方中各組分的質量比建立初始模型。選取RDX（2×2×3）和Al（3×3×1）模型，將其隨機放入20nm×20nm×20nm 周期箱中，并隨機加入兩條硬脂酸分子、3條石蠟分子和1條EVA 分子。在Compass力場下進行常溫NVT 20ps MD模擬，使體系達到平衡；然后縮小周期箱體積，同時進行MD模擬，以達到新的平衡；重復此過程直到體系的密度接近其理論密度（1．81g／cm3）。取其最終構象，設定溫度為298K，進行2ns的NVT－MD 模擬，前1ns用于熱力學平衡，后1ns用于統計分析，每10fs取樣一次，共得10 000幀軌跡。

1．5 A－IX－II炸藥及含鋁PBX炸藥力學性能的模擬計算

通過MS對1．3及1．4中密度接近得到的AIX－II炸藥及含鋁PBX炸藥的平衡結構進行形變量為0．05%的拉伸與純切形變操作，得到應變各方向的應力分量－彈性系數Cij（i，j＝1～6）的矩陣，然后分析模型并計算可得拉伸模量E、剪切模量G 和體積模量K，以及泊松比γ等力學性能參數。

2 結果與討論

2．1 高聚物黏結劑對含鋁炸藥物理相容性的影響

圖2為黏結劑EVA 與A－IX－II炸藥各組分混合體系的平衡結構。

結合能是表征共混體系組分間相互作用強度的特征參數，對共混體系力學性能有著重要影響。A 組分和B 組分的結合能可表示為［14－15］：

式中：Ebind是A 與B 的結合能，通常Ebind越大，A 與B 的相互作用越強；Etotal是由平衡結構求得的單點能；EA為去B 后計算所得A 的單點能；EB為去掉 A 后計算所得B 的單點能。

圖2 黏結劑與A－IX－II炸藥各組分混合體系的平衡結構Fig．2 The equilibrium structure of binder with each component of A－IX－II explosive

表1為EVA 與A－IX－II炸藥各組分之間的結合能，從表1可以看出，EVA 與RDX、Al、硬酯酸、石蠟的結合能分 別為183．0、479．3、77．3 及45．8kJ／mol，結合能的大小決定了EVA 與炸藥各組分作用的強度，結合能越大，作用強度越大。吸附能為正值，表明吸附穩定；吸附能為負值，表明吸附不穩定、可逆，存在吸附與解吸附現象。因此，EVA 與A－IX－II炸藥各組分能穩定吸附，物理穩定性良好。范德華力對EVA 與RDX、Al、硬酯酸、石蠟的結合能貢獻分別為82．27%、93．33%、85．17%及97．81%，故EVA 與A－IX－II炸藥各組分的相互作用以范德華力為主，還有少量靜電力及其他相互作用力。

表1 EVA 與A－IX－II炸藥各組分的結合能Table 1 The binding energy between EVA and each component of A－IX－II explosive

A－IX－II炸藥中加入EVA 后，裝藥過程中Al粉飛揚情況顯著減輕，說明添加EVA 后，黏結劑及鈍感劑對Al粉的粘接增強。經計算得到Al粉與EVA、硬酯酸及石蠟之間的結合能分別為479．3、566．6及436．8kJ／mol，EVA、硬酯酸及蠟與Al粉的結合能相當。A－IX－II依靠硬酯酸及蠟粘接鋁粉，含鋁PBX 依靠EVA、硬酯酸及蠟粘接鋁粉。因此，加入EVA 后，黏結體系對Al的粘接能力增強是因為黏結組分的含量增加，而不是單組份對Al粉的粘接強度增加。

2．2 高聚物黏結劑對含鋁炸藥力學性能的影響

圖3為RDX 及接近理論密度的兩種含鋁炸藥平衡結構，表2為由圖3結構計算得到的彈性系數及力學性能參數。

圖3 RDX 及接近理論密度的兩種含鋁炸藥平衡結構Fig．3 The equilibrium structure of RDX and two kinds of aluminized explosives close to the theoretical density

材料的應力是應變的線性組合，其線性組合系數為應變各方向應力分量—彈性系數Cij（i，j＝1～6）的矩陣，原則上材料的所有力學性能均可從其彈性系數矩陣得到。

通過對彈性系數Cij（i，j＝1～6）進行計算，得到拉梅系數λ和μ，計算方法為［13］：

材料在拉伸、剪切和壓縮情況下應力與應變的比值，即拉伸模量E、剪切模量G 和體積模量K，以及泊松比γ均可用λ 和μ 表示為［13］：

式中：E 為拉伸模量，GPa；G 為剪切模量，GPa；K為體積模量，GPa；γ為泊松比。

表2 RDX、A－IX－II炸藥及含鋁PBX炸藥的彈性系數和模量的計算值Table 2 The calculated values of elastic coefficients and modulus of RDX，A－IX－II and aluminized PBX

從表2可以看出，RDX 晶體力學性能的計算結果與文獻報道［14－15］的實驗結果很接近，證明該計算方法的可行性及準確性。RDX 中添加Al粉、硬酯酸及石蠟，使得A－IX－II炸藥的E、K、G 明顯大于純RDX。A－IX－II炸藥和含鋁PBX 相比，EVA 的加入使得體系的彈性系數及模量都發生了不同程度的上升，表明EVA 能夠增強A－IX－II的剛性，而使其塑性減弱，在不同的受力情況下不易發生彈性形變，形狀穩定性更佳。

在彈性系數中，C12只與張應力有關，C44只與切應力有關。當C12大于C44時，材料易發生剪切形變，此時材料的延展性較好；當C12小于C44時，材料易發生彈性形變，材料顯脆性。因此可用C12－C44（柯西壓，Cauchy）評估材料的延展性和脆性。從表2可以看出，RDX的C12－C44值為13．62，是一種韌性材料。與RDX 相比，A－IX－II中加入黏結劑及石蠟可以進一步提升RDX的延展性。含鋁PBX炸藥和A－IX－II 炸 藥 的C12－C44值 分 別 為54．67 和61．76，兩者大小相當，表明EVA 并不能顯著改變A－IX－II炸藥的延展性。

2．3 靜態力學性能試驗

為了驗證力學性能的計算結果，采用GJB 772A416．1方法分別對A－IX－II炸藥及含鋁PBX炸藥進行靜態力學實驗，結果如圖4所示。從圖4可以發現，含鋁PBX炸藥的應力值明顯大于A－IXII炸藥的應力值。因此，含鋁PBX 的彈性模量大于A－IX－II的彈性模量，計算結果與實驗結果相符。

圖4 A－IX－Ⅱ炸藥及含鋁PBX炸藥的應力－應變曲線Fig．4 The stress－strain curves of A－IX－II and aluminized PBX explosive

3 結 論

（1）建立了A－IX－II炸藥及含鋁PBX炸藥的結構模型，計算結果表明：EVA 與A－IX－II炸藥各組分能穩定吸附，物理穩定性良好，EVA 與A－IX－II炸藥各組分的相互作用以范德華力為主，還有少量的靜電力及其他相互作用力；含鋁PBX炸藥對Al粉的粘接能力的增強是因為黏接組分的質量分數增加，而不是單組分對Al粉的粘接強度增強；EVA的加入使得A－IX－II炸藥的剛性增大，塑性減弱，不能進一步提高A－IX－II炸藥的延展性。

（2）對A－IX－II炸藥及含鋁PBX炸藥進行了靜態力學性能實驗，數值計算結果與實驗結果一致性較好。

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