奥克托金与高分子二元体系模拟研究(4)

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1944年，美国加州大学Los Alamos实验室的James和Smith最先开始HMX基高聚物粘结炸药的研究工作；1947年，该实验室制备出第一份塑料粘结炸药并进行少量生产；5年后，投入正式的生产和应用[8]。之后，对于HMX基高聚物粘结炸药的研究从未间断过。PBXN-5传爆药是20世纪70年代初由美国研制开发的，它以HMX为主体炸药，氟橡胶Viton A为粘结剂，该炸药能量高且能够被大多数小尺寸雷管可靠起爆，适用于火工品小型化的趋势[9]。法国在HMX基高聚物粘结炸药的研究也十分活跃，他们采用HTPB为粘结剂，以HMX作为主炸药，成功研制多种炸药配方，如Hexabu 88A、B2170A和Oetorane 86A等[10]。论文网

我国HMX基高聚物粘结炸药的发展时间较短，但其使用时间可以追溯到二战时期。二战期间，中国游击队使用了15吨HMX与面粉的混合物来抵御日本侵略，代号为“Aunt Jemima”。这种混合炸药可以伪装成普通面粉，顺利通过检查点，它甚至可以被做成煎饼而不发生爆炸，没有任何人由于食用它而中毒。徐更光、孙业斌等人于1963年制出类似PBX-9205配方的塑料粘结炸药，如95RDX/3PS/2DBP、952RDX/3.5PS/1.5 DBP等[8]。早期HMX基高聚物粘结炸药的粘结剂多采用传统惰性材料，如聚苯乙烯(PS)、端羟基聚丁二烯(HTPB)等，近些年含能材料作为黏结剂成为新的研究热点。王保国，张景林[9]等采用正交试验确定以HMX/TATB为主炸药、氟橡胶和聚硝基苯撑(PNP)为混合黏结剂的传爆药配方。实验结果表明该传爆药不仅对含能体系的体积膨胀率、耐热性、能量、安全性能进行了明显改善，并且具备PBXN-5型传爆药的成型性和流散性。李玉斌[11]设计了以HMX/LLM-105为主炸药，热塑性聚醚弹性体(TPEE)为黏结剂的PBX，其具有黏结性好、不易掉粉等优点，是一种新型低感度高能混合炸药。

1.3 研究方法

1.3.1 计算机模拟方法概述

千百年来，人们是通过理论方法和实验方法认识世界的。如今，得益于计算机技术的飞速发展，使得通过大量计算来模拟客观事物的变化和发展成为可能，即计算机模拟方法。它既不用假定基本的数学关系，也不用观测真实的客观事物或实验现象，而是凭借合理的分子结构模型与物理基本原理，运用计算机内核及辅助软件，计算出客观事物变化的过程与结果，因此它不同于传统的理论方法和实验方法，是人类认识客观世界的第三种方法，或人类的第三种科学研究方法[12]。此外，与实验方法相比较，利用计算机模拟方法研究化合物分子、晶体，直至复合材料尤其是PBX的结构与性能具有以下优点：⑴降低实验危险性，⑵成本低廉，⑶数据准确度有一定的保证，⑷可研究现阶段实验方法无法研究的极快速(飞秒级)反应，⑸可增进对反应机理的了解。

通过将模拟结果与实验数据进行对比，可以得知物理模型及算法的合理性和准确程度。对于一些对称性低、自由度大以及具有复杂相互作用的系统，可以通过计算机模拟获得常规物理实验无法获得的重要的数据和结果[13]。此外，还可以通过计算机模拟将模拟系统置于极端或不合理的条件下，观察目前实验技术无法达到的极端条件下所呈现出的奇异物理现象，大大丰富和发展了理论物理的内涵[14]。“平衡态”问题是计算机模拟研究的主要方面，即模拟系统经过充分的弛豫过程后，达到了热力学、化学稳定以及相平衡的状态，以便研究物质结构、热力学性能等[12]。

微观理论计算和模拟方法的简介如图1.2所示。当代理论化学计算主要通过三大类方法研究物质的结构与性能：第一性原理即从头计算(ab initio)法，半经验分子轨道(Semiempirical MO)方法以及力场(force field)方法。前两种方法属于量子化学方法，其基础是分子中电子的非定域化，用波函数表示一切电子的行为，量子化学方法需要求解Schrӧdinger方程，所需计算资源较多，能计算的体系较小(不超过1000个电子)；而力场方法一般是属于经典力学的范畴，其只描述分子中原子的拓扑结构而不涉及电子运动，基于原子尺寸上的一种势能场求得模拟体系的广义结构与性质，力场方法主要包括分子力学(Molecular Mechanics,简称MM)方法和分子动力学(Molecular Dynamic,简称MD)方法，它们的基础是牛顿经典力学，力场方法的数学模型简单，仅将体系能量作为原子(核)坐标的函数而加以求算，因此在通常计算机上即可迅速求得大体系的结构和性能[15]。故本论文主要采用力场方法模拟研究含能体系结构与性能的关系。