DNTF對NC塑化特性的分子動力學模擬及實驗研究

孟玲玲，齊曉飛，王江寧，樊學忠

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）是一種呋咱類新型高能量密度化合物，其能量接近六硝基六氮雜異伍茲烷（CL－20）。DNTF可溶于NG，在提高CMDB推進劑能量特性的同時顯著改善其力學性能。目前，關于DNTF 對CMDB 推進劑力學性能的影響研究還處于初始階段。王江寧等［1］采用拉伸試驗和動態熱機械法研究了DNTF對CMDB推進劑力學性能的影響，由于受實驗尺度的限制，對CMDB推進劑塑化的微觀結構變化等方面缺乏更深入的了解。分子動力學模擬方法作為近年來發展較為迅速的微尺度數值計算方法，因其能夠準確預測材料的特性且從微觀角度揭示材料結構與性能之間的關系，已成為研究火炸藥宏觀性質的一種方法［2－4］。

CMDB推進劑的力學性能與黏結劑基體NC在不同作用力下的分子運動狀態密切相關［5］。因此，本研究通過建立分子動力學模型模擬了NC塑化過程中微觀結構的變化，從而在分子水平上了解DNTF對CMDB推進劑力學性能的影響，并通過拉伸試驗測試DNTF－CMDB 推進劑的力學性能，以期為DNTF在CMDB推進劑中的應用提供理論依據。

1 分子動力學模型的建立

依據NC 和DNTF化學結構式，用美國Accelrys公司開發的Materials Studio 4．0 軟件建立NC和DNTF 分子物理模型。構建包含兩條NC 分子鏈（每條分子鏈有20個聚合單元組成）的NC 純物質模型（兩條分子鏈分別標記為NC－A 和NC－B），然后向其中分別添加77個DNTF 分子，構建質量比均為2∶1的NC／DNTF 共混物模型，模型結構如圖1 所示。在298K、1．01×105Pa 條件下，對NC純物質模型和NC／DNTF共混物的模型進行分子動力學計算［6］，獲取分子動力學參數并進行分析，得到NC 純物質模型和NC／DNTF 共混物的靜態力學性能和徑向分布函數，其中靜態力學性能計算原理參見文獻［7］。

圖1 NC／DNTF共混物模型結構Fig．1 Model structure of NC／DNTF blends

2 實 驗

2．1 試劑與儀器

硝化棉（NC，D 級），四川川安化工廠；硝化甘油（NG），西安近代化學研究所；黑索金（RDX）、3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF），甘肅銀光化學工業有限公司。

4505型材料試驗機，英國INSTRON 公司。

2．1 樣品制備

采用吸收、驅水、光棍壓延工藝制備推進劑樣品，推進劑配方見表1。

表1 推進劑配方Table 1 Formulation of propellants

2．3 拉伸試驗

按照GJB770B－2005方法413．1進行推進劑拉伸試驗。將試樣切成啞鈴形狀，在－40、20、50℃條件下，用材料試驗機測試抗拉強度及延伸率，拉伸速率100mm／min。

3 結果與討論

3．1 NC 純物質和NC／DNTF 共混物靜態力學性能的計算

用C12－C44（柯西壓，Cauchy）評估樣品的塑性和脆性。當柯西壓大于零時，表明樣品易發生剪切形變，延展性較好；當柯西壓小于零時，表明樣品易發生拉伸形變，脆性較強。NC 純物質和NC／DNTF共混物的靜態力學性能見表2，未列入表中的彈性系數的數值均等于或接近于零。

表2 NC純物質和NC／DNTF共混物的彈性系數及力學性能Table 2 Elastic coefficient and mechanical property parameters of NC and NC／DNTF blends

由表2可知，相比于NC 純物質，NC／DNTF共混物的拉伸模量（E）、剪切模量（G）和體積模量（K）有所降低，當柯西壓值由2．06 降為1．75，表明DNTF的加入能夠降低NC 的脆性，增加體系的塑性，即體系延展性變好，宏觀上表現為延伸率增加，強度降低。

3．2 NC 純物質和NC／DNTF 共混物的徑向分布函數

為了解DNTF降低NC 剛性的原因，通過徑向分布函數g（r）分析了DNTF 對NC 分子間作用力的影響。通過分子動力學方法計算的g（r）曲線如圖2所示。

由圖2可知，在NC純物質模型中，－OH 基團中氧原子O1與－NO2基團中氧原子O2的g（r）曲線在0．26nm 和0．46nm 附近出現兩個強弱不同的峰，其g（r）值分別為0．73和0．57。根據g（r）曲線峰的位置可判斷O1－O2原子對形成了O－H…O形式的氫鍵，同時這兩種原子間還存在范德華力，且氫鍵作用力的強度相對較大［6］。加入DNTF后，DNTF分子中－NO2基團中氧原子O3與NC分子－OH 基團中氧原子O1同樣也形成了O－H…O 形式的氫鍵，其g（r）值為1．77，而NC分子自身O1－O2原子對的氫鍵作用力g（r）值降至0．58，同時范德華力g（r）值也降至0．32。這表明DNTF 分子中－NO2基團可與NC分子中－OH 基團形成氫鍵，從而替代NC分子鏈之間的氫鍵，使其氫鍵作用力減弱。

圖2 NC純物質及NC／DNTF共混物模型中各原子對的徑向分布函數Fig．2 Radial distribution functions for different atoms in NC and NC／DNTF blends model

由圖2可知，DNTF 能夠降低NC 分子內的作用力，從而增強NC鏈段的移動性，增加NC 分子的自由體積［8］，DNTF 起到了增塑劑的作用，這與靜態力學性能分析結果一致。

3．3 DNTF－CMDB推進劑的抗拉強度及延伸率

采用拉伸試驗測試DNTF－CMDB 推進劑的力學性能，－40、20、50℃下的抗拉強度（σm）和延伸率（εm）見表3。

表3 DNTF－CMDB推進劑的抗拉強度和延伸率Table 3 Tensile strength and elongation of DNTF－CMDB propellant

由表3可知，隨著溫度的增加，兩個樣品的延伸率逐漸增加，抗拉強度逐漸減小，這是由于NC 分子的鏈段運動能力對溫度存在依賴性。低溫時，兩個樣品的抗拉強度和延伸率變化不大，這可能是由于低溫時NC分子鏈處于凍結狀態，此時力學性能主要與NC 與NG 側 基 的 協 同 運 動 相 關［9］，因 此DNTF替代RDX 對推進劑抗拉強度和延伸率的影響較小。在常溫與高溫狀態下，用DNTF 替代RDX 后推進劑的抗拉強度降低，延伸率則大幅提高。在20℃時，樣品2的延伸率是樣品1延伸率的3．87倍；在50℃時，樣品2的延伸率是樣品1延伸率的3．07倍；樣品2常溫和高溫的延伸率增加幅度明顯低于樣品1常溫和高溫的延伸率增加幅度。

CMDB推進劑可以看做黏彈性材料，在一定溫度范圍內其力學性能符合高聚物的黏彈性以及相關理論，延伸率反映推進劑的塑性，與增塑劑相關；抗拉強度則反映推進劑的剛性，與黏合劑相關［10－11］。

因此，CMDB推進劑的力學性能與增塑劑含量密切相關。在NC 與NG 含量保持不變的情況下，用DNTF 替代部分RDX 后對NC 起到了增塑作用［12］，增強了NC 分子的鏈段運動能力，宏觀上表現為抗拉強度和延伸率均降低，這與分子模擬計算結果一致。

4 結 論

（1）分子動力學模擬結果表明，與NC 純物質相比，NC／DNTF共混物的E、K、G 模量值均有所降低，柯西壓值由NC純物質的2．06降為1．75，表明DNTF能夠降低NC的剛性，增強體系塑性；DNTF可與NC分子形成氫鍵，減弱NC 分子內的氫鍵，從而使NC分子內的作用力減弱。

（2）拉伸試驗結果表明，加入10%的DNTF后，DNTF－CMDB推進劑的抗拉強度降低，延伸率提高，特別是常溫和高溫延伸率提高幅度明顯。試驗結果與分子動力學模擬計算結果一致。

［1］ 王江寧，李亮亮，劉子如．DNTF－CMDB推進劑的力學性能［J］．火炸藥學報，2010，33（4）：23－27．WANG Jiang－ning，LI Liang－liang，LIU Zi－ru．Mechanical performance of composite modified doublebase propellent with DNTF［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2010，33（4）：23－27．

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