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炸药爆轰参数理论计算方法及高能分子设计

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作者:
杜明燃
导师:
汪旭光,颜事龙
学科专业:
岩土工程 
文献出处:
安徽理工大学 2016年
关键词:
爆轰性能论文  密度泛函理论论文  状态方程论文  高能量密度化合物论文  

摘要:本文主要研究了炸药爆轰性能计算方法的理论推导和编程实现,并结合爆轰性能经验计算方法和量子化学计算方法,设计了3类分子(双环[2.2.1]庚烷、双环[3.1.1]庚烷和双环[3.2.1]庚烷)的含N衍生物,深入研究了其结构与性能的关系,具体内容如下:1.基于反应平衡的最小自由能原理,利用牛顿迭代法和拉格朗日乘数法,推导建立了一种新的求解爆轰产物组分含量的方法,结合BKW状态方程,计算爆压、爆温、爆速和爆轰产物组分含量,自编程序完成上述计算过程;为验证计算方法的准确性,首先利用该计算方法计算了PETN和RDX的爆轰性能参数,计算结果显示,该方法可以准确计算PETN和RDX爆轰性能,并可以理论预测爆轰产物组分含量,其中,PETN爆压、爆速和爆温的计算值与实验值的误差分别为0.01%、0.51%和0.21%,RDX爆压、爆速和爆温计算值与实验值的误差分别为0.4%、3.5%和3.3%;其次,本工作自制了5种乳化炸药,利用锰铜压阻法测试爆压,同时测试了炸药爆速,利用自编程序计算5种炸药的爆轰性能和爆轰产物组分含量,计算结果显示,爆速和爆压相符较好,说明该计算方法可用于乳化炸药爆轰性能的预测,其中爆压和爆速的最大误差分别为1.6%和812%,爆速误差虽然偏大,但并不影响爆温和爆轰产物组分含量的计算结果,且爆速可通过简单的测时实验获得。2.根据目前爆压测试成本较高的缺陷,通过理论推导设计了一种新的爆炸接触面作用压力测试方法,该测试方法无耗材,成本较低。3.通过考察大量的分子体系,设计出本文所报道的3类新型高能量密度化合物(HEDC),利用Gaussian软件和分子表面静电势分析方法计算得到大量数据,如分子表面静电势参数、密度、升华焓、气态生成热和固态生成热等,为实验合成提供参考依据,并详细分析和讨论了分子结构与性能的关系。气态生成热计算结果显示,分子所含硝基数量相同时,伴随着母体骨架上N原子数量的增加,分子的气态生成热增大;伴随着硝基数量的增加,分子的升华焓逐渐增大;固态生成热计算结果显示,当分子所含硝基数量较少时,增加分子中的硝基的数量,分子固态生成热一般先减小,当硝基数量较多时,增加分子中的硝基数量,分子的固态生成热快速增大。分子的密度总是伴随着分子中硝基数量的增加而增大。4.首先利用Kamlet-Jacobs方法,自编程序,计算了设计分子的爆轰性能,再利用本文自行建立的理论计算方法和程序计算设计分子的爆轰性能,结果显示,两种方法相符很好,爆压最大误差小于2.5%,爆速最大误差小于3.3%,说明自行推导的计算方法可用于计算和预测HEDC的爆轰性能,并计算出精确的爆轰产物组分含量,爆轰性能计算结果显示,共有23种分子的爆压大于40GPa,爆速大于9000m/s,满足HEDC爆轰性能要求。5.分子结构和爆轰性能之间的关系显示,密度和氧平衡是影响爆轰性能的重要因素,固态生成热对爆轰性能影响较弱,正氧平衡会导致爆轰性能的急剧减弱,分子骨架含N量较多,不利于设计出HEDC。6.利用解离能和撞击感度评价了分子的稳定性,伴随着向母体骨架中引入硝基数量的增加,分子的热解稳定性逐渐变差,其中分子A29、B29和D28热解稳定性较差,不满足稳定性要求,综合考虑爆轰性能和稳定性,设计出20种新型HEDC,值得进一步实验合成和研究。解离能计算结果显示,分子中同时含有N-NO2键和C-NO2键时,分子的热解触发键通常为N-NO2,但也有部分分子的热解触发键为C-NO2键。

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景、目的和意义

1.2 炸药爆轰参数计算方法的研究现状

1.3 爆轰参数计算方法在高能量密度化合物设计中的应用现状

1.4 主要研究内容

1.5 论文的研究方法和技术路线

2 炸药爆轰性能的计算方法

2.1 状态方程

2.1.1 VLW状态方程的建立

2.1.2 BKW状态方程

2.1.3 WCA状态方程

2.1.4 其它状态方程

2.2 爆轰产物组分含量理论计算方法

2.2.1 化学平衡常数法

2.2.2 最小自由能法

2.3 爆轰性能经验计算方法

2.3.1 Kamlet-Jacobs经验公式

2.3.2 Rothstein-Petersen爆轰因子F法

2.3.3 其他经验计算方法

2.4 爆轰产物的经验确定方法

3 炸药爆轰参数理论计算方法研究

3.1 传统最小自由能法建立求解方程

3.2 传统最小自由能法求解步骤

3.3 自推导求解过程

3.4 基础参数处理

3.4.1 爆温确定方法

3.4.2 标准压力自由能

3.4.3 BKW状态方程参数和Hugoniot关系

3.5 编程计算步骤和结果比较

3.6 乳化炸药爆轰性能计算与测试

3.7 爆炸作用压力测试方法

3.8 小结

4 高能量密度化合物设计基础

4.1 量子化学方法

4.2 高能量密度化合物设计现状

4.3 性能预测方法

4.3.1 密度和生成热预测方法

4.3.2 爆轰性能预测方法

4.3.3 热稳定性预测方法

4.3.4 撞击感度预测方法

5 双环[2.2.1]庚烷衍生物结构与性能研究

5.1 双环[2.2.1]庚烷衍生物分子设计及计算方法选取

5.2 静电势分析、密度和升华焓

5.3 生成热计算结果

5.4 爆轰性能

5.5 稳定性分析和爆轰性能验证

5.6 小结

6 双环[3.1.1]庚烷衍生物结构与性能研究

6.1 双环[3.1.1]庚烷衍生物分子设计及计算方法选取

6.2 静电势分析、密度和升华焓

6.3 生成热计算结果

6.4 爆轰性能

6.5 稳定性分析和爆轰性能验证

6.6 小结

7 双环[3.2.1]辛烷衍生物结构与性能研究

7.1 双环[3.2.1]辛烷衍生物分子设计及计算方法选取

7.2 静电势分析、密度和升华焓

7.3 气态生成热的计算

7.4 爆轰性能预测

7.5 稳定性分析和爆轰性能验证

7.6 小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 主要创新点

8.3 问题与展望

参考文献

致谢

作者简介及读博期间主要科研成果