PEG/增塑剂共混物相容性的分子动力学模拟和介观模拟

为解决含能钝感增塑剂应用于硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的问题,研究了增塑剂三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)、硝化甘油(NG)、1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)与粘合剂预聚物聚乙二醇(PEG)的相容性。采用分子动力学模拟计算了PEG、TMETN、NG、BTTN四种纯物质的溶度参数及分子内和分子间径向分布函数,得到相容性优劣顺序为:TMETN/PEGBTTN/PEGNG/PEG。BTTN分子中的亚甲基和TMETN的结构削弱了自身分子间作用、降低了与PEG溶度参数的差值;分析了共混物的结合能及分子间径向分布函数,认为增塑剂与PEG相容的本质为"分子间以非键作用相结合,范德华作用占主要比重"。此外,增塑剂与PEG分子的极性越相近、范德华作用的占比越大;通过介观模拟得到体系的介观形态演变过程,发现NG/PEG及BTTN/PEG易发生相分离、TMETN/PEG仅发生轻微的同相归并。最终得出:含能钝感增塑剂TMETN与PEG的相容性优于BTTN及NG,可以考虑将其代替或部分代替NG、降低NEPE推进剂的感度,为低易损战术武器的发展提供依据。     

NG在聚氨酯中扩散性能的分子动力学模拟

为研究二异氰酸酯类型、温度、硝化甘油（ NG）含量等因素对NG在聚氨酯弹性体内扩散性能的影响,用分子动力学方法,在COMPASS力场下对NG和聚氨酯弹性体混合体系进行了模拟。构建NG与不同聚氨酯弹性体的混合体系模型,并进行结构优化,先后进行恒温恒压系综（ NPT）和恒温恒容系综（ NVT）的分子动力学模拟,得到NG在混合体系中的均方位移,通过爱因斯坦方程计算得到其扩散系数。结果表明：NG在聚氨酯弹性体内扩散系数的数量级为10-8 cm2· s-1,与实验数据一致;扩散系数随聚氨酯弹性体链的柔顺性增加而上升;随温度的不断升高,扩散系数先缓慢上升,当超过308 K后,扩散系数急剧增加。随NG含量的不断升高,扩散系数先缓慢下降,当超过14％后,扩散系数急剧下降。     

DBP和NA在发射药中扩散性能的分子动力学模拟

针对钝感剂在发射药贮存期间的扩散迁移影响发射药服役寿命的问题,采用分子动力学模拟(MD模拟)比较了小分子邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、聚新戊二醇己二酸酯(NA)在发射药体系中的扩散系数,探究了温度和硝化甘油(NG)含量对DBP、NA在双基发射药中扩散的影响,并分析了扩散机理.结果表明:5℃时DBP和NA在NC基体中的扩散能力相当,扩散系数均在10-12 m2·s-1数量级,25℃时DBP与NA的扩散系数分别为1.13×10-11 m2·s-1和5.13×10-12 m2·s-1,65℃时DBP与NA的扩散系数分别为1.88×10-11 m2·s-1和7.57×10-12 m2·s-1,85℃时DBP与NA的扩散系数分别为3.42×10-11 m2·s-1、1.11×10-11 m2·s-1,在相同温度下,钝感剂扩散系数的大小顺序为DBP>NA,这说明NA具有较好的抗迁移特性,该特性在高温时更为凸显;从微观角度分析温度对扩散机理的影响为:高温使原子间氢键作用峰值减小,即DBP、NA与NC的相互作用力减弱,并且体系的自由体积分数也变大,增大了分子运动的有效活动空间,更有利于DBP、NA扩散.DBP、NA的扩散能力随着增塑剂NG含量的增加而增强,添加NG使得DBP、NA与NC的相互作用减弱,因此DBP、NA运动更活跃,扩散能力增强.     

叠氮粘合剂与硝酸酯溶度参数的分子动力学模拟

为了预测叠氮粘合剂与硝酸酯的混溶性,采用分子动力学模拟方法对不同软段、硬段组成的叠氮聚醚热塑性弹性体以及硝酸酯的内聚能密度和溶度参数进行了模拟计算,结果表明:叠氮预聚物和叠氮粘合剂与硝化二乙二醇(DEGDN)、硝化三乙二醇(TEGDN)的混溶性比硝化甘油(NG)、1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)及NG DEGDN混合溶液的混溶性好;叠氮预聚物中,PAMCMO与各种硝酸酯的混溶性明显优于GAP、BAMO、AMMO;虽然引入了硬段使三种叠氮粘合剂比其预聚物的溶度参数有所提高,但计算的几种叠氮粘合剂与硝酸酯的混溶性仍不太理想;在叠氮预聚物中引入改善力学性能的四氢呋喃链段时,其与硝酸酯的混溶性明显低于以叠氮均聚物为软段的聚氨酯粘合剂。     

DIANP对NC溶塑作用的实验与模拟

用动态流变实验和扫描电子显微镜观察对比研究了1,5-二叠氮-3-硝基氮杂戊烷(DIANP)和硝化甘油(NG)溶塑硝化纤维素(NC)的速率和效果,用分子动力学模拟方法对DIANP、NG、NC的溶度参数和DIANP、NG在NC中的扩散系数进行了模拟计算,采用介观动力学模拟方法得到了NC/DIANP和NC/NG共混体系的介观形貌。结果表明,与NG相比,DIANP溶塑NC速率较快,二者在NC中的扩散系数分别为1.39×10~(-10)m~2·s~(-1)和2.24×10~(-10)m~2·s~(-1)。相对于NG,DIANP溶塑效果更好,两种共混体系的显微形貌特征与介观动力学模拟结果具有很高的一致性。溶度参数计算结果表明,DIANP的分子间作用力大小与NC较为相似,而NG溶度参数的范德华力和静电力分量所占的比例与NC接近。     

HPLC检测NG/BTTN混合硝酸酯生产洗涤废水的成分及含量

为了确定硝化甘油/1，2，4-丁三醇三硝酸酯（NG/BTTN）混合硝酸酯生产洗涤废水成分和含量，开展了高效液相色谱（HPLC）梯度洗脱法检测洗涤废水的工作，确定色谱条件如下：固定相为C18（250 mm×4.6 mm，5 μm）色谱柱，流动相为乙腈/水溶液，检测波长为200 nm。结果表明，在洗涤废水中检出6种有机物，通过化合物的保留时间及其与分配系数LogD的线性关系拟合（7天内取样27次），确定了NG/BTTN混合硝酸酯生产洗涤废水中除了NG和BTTN，尚存在1，2-丙三醇二硝酸酯（30.58%~41.20%）、1，3-丙三醇二硝酸酯（110.69%~135.14%）、1，2，4-丁三醇-1，2-二硝酸酯（7.90%~10.63%）和1，2，4-丁三醇-1，4-二硝酸酯（22.55%~27.95%）四种未完全硝化产物，标准偏差均低于10%，并于10 d内取样40次，证明了该方法准确可靠、适用性好，满足工业生产的检测需求。     

PEG/N-100中增塑剂扩散性能的微观与介观模拟

为探究含能钝感增塑剂三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)在硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂黏合剂中的扩散性能,采用分子模拟(MD)法比较了硝化甘油(NG)、1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)及TMETN在聚乙二醇/固化剂(PEG/N-100)中的扩散系数、分析了扩散机理,并讨论了温度及增塑比对TMETN扩散性能的影响。结果表明:增塑剂扩散系数的大小顺序为NGBTTNTMETN,这说明TMETN的扩散能力较弱;从微观角度分析扩散的机理为:增塑剂与预聚体的分子间相互作用越强、体系的自由体积分数越小、增塑剂分子的尺寸越大,则增塑剂越难发生扩散;在三种增塑体系中,TMETN与PEG/N-100的结合能力最强、原子间氢键作用最强、该体系中PEG/N-100的自聚集能力最弱,且TMETN分子尺寸最大,故而TMETN最难发生扩散;随着温度升高,TMETN扩散系数的增加先缓慢后剧烈,这与高温加速老化的规律保持一致,分析温度对扩散机理的影响为:高温使原子间氢键作用峰值减小、位置后移,即增塑剂与黏合剂的相互作用减弱,并且体系的自由体积分数也变大;随着增塑比的增加(2.5、2.8、3),TMETN扩散系数减小,介观研究表明体系的相容性变好是其中的原因之一。     

GAP推进剂粘接体系组分迁移动力学研究

为研究组分在缩水甘油叠氮聚醚(GAP)推进剂/端羟基聚丁二烯(HT PB)衬层/三元乙丙(EPDM)绝热层粘接体系中的迁移,采用高效液相色谱(HPLC)测定了经过50,60℃和70℃加速老化后体系中的主要迁移组分,计算了迁移组分的表观扩散活化能和扩散系数。结果表明,老化过程中硝酸酯增塑剂硝化甘油(NG)、1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)发生迁移,两者的表观扩散活化能均在43~121 kJ·mol~(-1),扩散系数在10~(-1)9~10~(-1)6m~2·s~(-1)内。体系中胺类安定剂1(AD1)、胺类安定剂2(AD2)的迁移发生在固化过程,老化过程中主要以消耗为主;GAP推进剂的力学性能与推进剂中AD1的含量有关,AD1含量低于40%时,试件力学性能急剧下降。     

基于MD方法的增塑剂扩散行为的模拟研究

为克服实验手段的不足,用分子动力学方法模拟丁羟推进剂粘接体系中增塑剂癸二酸二辛酯(DOS)的扩散行为.利用分子模拟软件Materials Studio 4.3构建增塑剂和粘接体系的分子模型,选用COMPASS力场,对经几何优化后的混合体系进行分子动力学模拟,得到增塑剂在粘接体系中的均方位移,通过爱因斯坦方程得到其扩散系数.环境温度为273, 298, 310, 323, 348 K时, DOS在丁羟推进剂粘接体系中的扩散系数分别为0.0010, 0.0020, 0.0025, 0.0031, 0.0043; DOS含量为23%,37.5%,47%,60%时,扩散系数分别为0.0025, 0.0020, 0.0018, 0.0015(单位10-4 cm2·s-1).结果表明: 随着温度的升高,扩散系数逐渐增大; 随着增塑剂含量的增加,扩散系数依次略有下降.     

NG/TMETN混合增塑PEG体系的力学、感度及相容性能

为改善硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的安全性,采用分子动力学和介观动力学模拟,探索了混合增塑剂NG/TMETN(硝化甘油/三羟甲基乙烷三硝酸酯)增塑聚乙二醇(PEG)的力学性能、感度和相容性,设计的体系有PEG/NG、PEG/TMETN、PEG/NG/TMETN-1、2、3(NG∶TMETN的质量比为3∶1,1∶1,1∶3)。结果表明:在五种体系中,PEG/TMETN具有最优的力学性能、最低的感度和最佳的相容性;但是考虑到TMETN的能量较NG低,研究发现"混合增塑体系"综合了NG的高能量和TMETN的优异性能,在PEG/NG体系中掺入TMETN可有效降低体系的感度、减弱PEG的结晶性和NG的自聚集情况、改善体系的相容性(介观形态分布更加均匀);虽然混合增塑体系的力学性能较单一增塑体系的略差,但当TMETN含量较高时(NG∶TMETN为1∶3),体系的力学性能得到了改善、且具有良好的加工性能;此外,增塑剂与PEG的分子间氢键可以较好地描述混合增塑体系(组分相同)的力学性能,而单一增塑体系的力学性能受物质本身性质和结构的影响更大;最大引发键键长和内聚能密度均可以表征混合增塑体系的热感度。     

显微红外光谱法测定EI发射药中钝感剂扩散系数

压伸-浸渍(EI)发射药制造过程中钝感剂的扩散决定了新制火药的内弹道性能。采用红外光谱显微技术考察了聚酯钝感剂PA在EI发射药中的扩散,结果表明新制火药的钝感剂浓度分布符合Fick第二定律的扩散模型,并依据浓度分布曲线方程推算出钝感工艺过程中的钝感剂扩散系数为1.639×10-13m2.s-1。内标法与外标法的比对实验结果表明,在内标法中将钝感层硝化甘油(NG)做均匀分布的数学处理对扩散系数计算结果的数量级没有影响,因此由于数学模型的不完善带来的浓度分布曲线的系统偏差可以忽略不计。     

高聚物理论估算溶塑火药拉伸强度的应用研究

应用高聚物理论,从化学键、分子间力的角度对溶塑类火药的拉伸强度理论估算方法进行了探索研究。以单基药、双基药、太根药为对象,深入研究含有增塑剂火药的拉伸强度的理论计算方法。同时用材料试验机对火药的拉伸强度进行了测试,并与理论值作对比。结果表明,单基药、双基药、太根药的理论拉伸强度分别为3.8×107N.m-2,11.2×106N.m-2,10.1×106N.m-2,其实测值为3.1×107N.m-2,10.6×106N.m-2,8.9×106N.m-2。分析认为,火药的拉伸强度主要由分子间的范德华力提供,运用高聚物理论可以对溶塑火药的拉伸强度进行理论估算。     

射流对间隙靶板屏蔽炸药的冲击起爆

为得到射流对野战弹药的冲击起爆规律,以间隙靶板屏蔽炸药模拟具有一定防护的野战弹药,应用冲击波传递的阻抗匹配技术、聚能射流的准定常侵彻理论以及开放炸药冲击起爆的Held准则,构建了射流前驱波与击穿间隙靶板后剩余射流起爆炸药的工程分析模型,并结合算例对模型进行了系统的分析。结果表明:射流侵彻起爆野战弹药过程中,射流直径变化可达到22.2%,对起爆能力的影响不可忽略;弹药壳体对射流起爆能力影响较防护层(包装/方舱)强;前驱波的最大起爆能力约为2.75×104m3·s-2,而剩余射流的最大起爆能力约为1.55×105m3·s-2,二者相差近一个数量级,所以野战弹药应以防射流击穿为主。     

TATB基PBX界面热阻研究及导热系数预测

为研究TATB基高聚物粘接炸药(PBX)中炸药晶体与粘结剂之间的界面热阻,采用在TATB单质药片上涂覆氟橡胶层的方法,制备了TATB基PBX单层界面样品,并通过纳米压痕法获得了界面样品氟橡胶层及界面层厚度,利用激光热导仪测得TATB/氟橡胶界面层在293,303,313,323,333 K下的导热系数分别为6.18×10~(-3),6.53×10~(-3),9.87×10~(-3),2.16×10~(-2),7.72×10~(-3)W·m~(-1)·K~(-1)。基于界面导热系数与热阻的关系,建立含界面热阻的PBX导热系数预测模型,获得了某型PBX导热系数理论值,理论计算结果与实测值吻合性较好。     

基于高斯扩散模型的催泪弹气溶胶烟雾非致命效能仿真

催泪弹是一种非致命防暴弹。为研究其非致命效能大小,以武警RS97-2型催泪弹为研究对象,应用高斯扩散模型研究了催泪弹气溶胶烟雾的扩散过程。分析了烟雾扩散时西埃斯(CS)催泪剂浓度和烟雾半径的变化规律。用Matlab软件编制的程序进行了仿真计算,得出以催泪弹气溶胶烟雾扩散的有效作用区域作为其非致命效能大小的衡量指标。结果表明,在风速为2m·s~(-1)时,一枚催泪剂装药为20g催泪弹的气溶胶烟雾有效作用区域可达453.7m~2。     

用连续爆速法测定工业炸药爆速

采用电测法和连续速度探针法分别测量了粉状乳化炸药和乳化炸药的平均爆速和连续爆速.结果表明,粉状乳化炸药在装药密度为850 kg·m-3和820 kg·m-3时,平均爆速分别为4526 m·s-1和4020 m·s-1; 稳定爆轰时连续爆速范围分别为4300～4600 m·s-1和4000～4300 m·s-1.乳化炸药在装药密度为900 kg·m-3和840 kg·m-3时,平均爆速分别为4384 m·s-1和2345 m·s-1; 连续爆速范围分别为3370～4592 m·s-1和2871～3420 m·s-1.显然,平均爆速测试结果与连续爆速的测试结果吻合很好,且连续速度探针法能满足准确测量工业炸药在装药结构中爆速连续变化的要求.