一种黑索金爆燃模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种黑索金爆燃模拟方法，通过在耦合了碳纳米管的黑索金复合模型内施加平行于碳纳米管轴线方向的电场，使得RDX能够完全反应，并且电场强度越大，反应速度越快，RDX燃爆时间越短。由此，通过调整电场的强度，使火点产生的时间随着改变，从而能做到对RDX反应时间(爆燃时间)的控制。

A simulation method of RDX deflagration

【技术实现步骤摘要】
一种黑索金爆燃模拟方法
本专利技术涉及含能材料爆燃模拟实验
，具体涉及一种黑索金爆燃模拟方法。
技术介绍
环三亚甲基三硝胺，又称黑索金(缩写为RDX)，是一种重要的含能材料，分子式为C3H6N6O6，它的分解会在瞬间产生大量能量，在理论模拟上的便利性使其从各个方面被研究。这种含能材料的研究中，主要研究方向是使材料释能更快以及降低爆炸感度两大方面。以往的研究内容中，主要有：添加物Mg粉、AL粉等，改进RDX的燃烧机放热性能，提高含能材料的释能强度。此外施加外电场可以使黑索金爆炸能的能量提高、同时爆速和爆压也得到增强。回顾相关研究，外电场作用的理论研究主要是电场对含能材料分子本身的性质影响，如各化学键的键长、含能材料分子之间的氢键、含能材料分子第一步分解过程的影响。但少有对电场下含能材料分解过程的详细记录。该技术只是增加燃烧性能，却不能有效地控制含能材料的起爆时间。只涉及到电场作用，并没有详细的关于电场对含能材料反应的影响。在这些研究中，主要探讨最小活化能，往往止步于第一步分解，忽略了对含能材料分子晶体分解的后续复杂过程研究。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种黑索金爆燃模拟方法，以解决现有无法对RDX燃爆进行有效控制的问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种黑索金爆燃模拟方法，包括：(1)建立黑索金晶体单胞的三维立体模型，将黑索金晶体单胞按照晶格常数a、b、c的排列结构分别放置在直角坐标系的x、y、z的正半轴上，然后将黑索金晶体单胞模型扩展为单晶模型；(2)在单晶模型中心将垂直于yoz平面的柱状区域的黑索金分子去掉，形成一个圆柱状的空洞，然后放入金属型碳纳米管进行耦合，得到复合模型；(3)对所述复合模型施加平行于所述金属型碳纳米管的轴线方向的电场，从施加电场时开始计时，根据施加的电场强度得到黑索金爆燃的时间。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，步骤(2)还包括：采用NPT热力学系综对所述复合模型进行优化弛豫，其具体过程为：设定复合模型的三维周期性边界条件和体系粒子数目，设定步长为0.1飞秒和弛豫时间为30ps；体系的体积和能量随时间变化。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，步骤(3)中，采用NVE热力学系综对所述复合模型施加电场；根据施加的电场强度得到黑索金爆燃的时间按照以下公式计算得到：U(t,E)＝U0(E)+du×exp[-(t-tI)/τ(E)]；式中：U(t,E)为系统的总势能，U0(E)为稳定后生成物的渐近势能，du为反应的放热能，tI为反应开始时间，τ(E)为黑索金完全分解的时间；其中，U(t,E)、U0(E)、du和τ(E)在NVE热力学系综中跟踪获得。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，步骤(1)中，采用NVT热力学系综建立黑索金晶体单胞的三维立体模型。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过在耦合了碳纳米管的黑索金复合模型内施加平行于碳纳米管轴线方向的电场，使得RDX能够完全反应，并且电场强度越大，反应速度越快，RDX燃爆时间越短。由此，通过调整电场的强度，使火点产生的时间随着改变，从而能做到对RDX反应时间(爆燃时间)的控制。附图说明图1为内嵌CNT的RDX的复合模型在优化弛豫前的结构图；图2为内嵌金属型CNT的RDX的复合模型在优化弛豫后的结构图；图3为内嵌半导体型CNT的RDX的复合模型在优化弛豫后的结构图；图4为电场施加方向与CNT管轴关系的结构示意图；图5为不同外电场作用下RDX(CNT)分子数目随时间的演化图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。RDX是分子晶体，一个原胞里面有8个RDX分子，一个RDX分子一共包含21个原子，总共有168个原子。晶体属于正交晶系，晶格常数(a、b、c)分别为在本专利技术下列实施例中，RDX晶体单胞为α相的RDX晶体单胞，把RDX晶体的单胞模型扩展为3×7×14的单晶。碳纳米管包括金属型碳纳米管CNT(13,13)和半导体型碳纳米管CNT(22,0)，其中，金属型碳纳米管共有832个C原子，半导体型碳纳米管共有792个C原子。实施例1：本实施例的黑索金爆燃模拟方法，包括：(1)构建模型采用NVT热力学系综建立黑索金晶体单胞的三维立体模型，将黑索金晶体单胞按照晶格常数a、b、c(分别为)的排列结构分别放置在直角坐标系的x、y、z的正半轴上，然后将黑索金晶体单胞模型扩展为3×7×14的单晶模型。(2)耦合碳纳米管在单晶模型中心将垂直于yoz平面的柱状区域的黑索金分子去掉，形成一个圆柱状的空洞，然后放入CNT(13,13)的金属型碳纳米管进行耦合，得到复合模型；此时得到复合模型如图1所示，CNT管与RDX晶体之间存在不规则的界面，这是在构建模型时保证RDX分子的完整性，只能删去完整的RDX分子而不能留下残余的分子或原子，这种不规则性将随着系统的弛豫优化得到改善。采用NPT热力学系综对所述复合模型进行优化弛豫，其具体过程为：设定复合模型的三维周期性边界条件和体系粒子数目，设定步长为0.1飞秒和弛豫时间为30ps；体系的体积和能量随时间变化。NPT热力学系综为恒温恒压，可消除内部应力，又能在优化过程中释放多余能量，获得常温常压下稳定结构。由于该体系在弛豫过程中也可能涉及化学反应，因此本实施例选取0.1飞秒的步长，来获得更准确的结果。弛豫时间为30ps，弛豫时间由势能变化情况选取，保证弛豫总势能收敛到稳定值即可。经过弛豫后RDX结构模型如图2所示，从图中可以看出，金属型碳纳米管管与RDX间隙大小十分均匀，表示复合结果比较理想。(3)电场诱导采用NVE热力学系综对所述复合模型施加平行于所述碳纳米管的轴线方向的电场，在本实施例中即晶矢a方向，x轴正向，大小为从施加电场时开始计时，根据施加的电场强度得到黑索金爆燃的时间。计算公式为U(t,E)＝U0(E)+du×exp[-(t-tI)/τ(E)]；式中：U(t,E)为系统的总势能，U0(E)为稳定后生成物的渐近势能，du为反应的放热能，tI为反应开始时间，τ(E)为黑索金完全分解的时间，t为爆燃时间；其中，U(t,E)、U0(E)、du和τ(E)在NVE热力学系综中跟踪获得。热力学系综采用NVE系综，三维周期，其体积不变并且绝热，能够保证能量不流失，同时也便于对能量流向进行具体分析。本专利技术采用lammps软件程序(Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator，大规模原子分子并行模拟器)，根据输入的电场强度，获得U(t,E)、U0(E)、du和τ(E)，然后根据上述公式计算得到黑索金的爆燃时间，从而根据输入不同的电场强度实现对黑索金爆燃时间的控制。在本实施例中，30ps弛豫时间结束后，以30ps为起点对体系施加电场，200ps的反应时间内观察反应结果。实施例2：本实施例与实施例1基本相同，区别在于，采用的碳纳米管为半导体型碳纳米管CNT(22,0)。实施例3：本实施例与实施例1基本相同，区别在于，电场强度为实施例4：本实施例与实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种黑索金爆燃模拟方法，其特征在于，包括：(1)建立黑索金晶体单胞的三维立体模型，将黑索金晶体单胞按照晶格常数a、b、c的排列结构分别放置在直角坐标系的x、y、z的正半轴上，然后将黑索金晶体单胞模型扩展为单晶模型；(2)在单晶模型中心将垂直于yoz平面的柱状区域的黑索金分子去掉，形成一个圆柱状的空洞，然后放入金属型碳纳米管进行耦合，得到复合模型；(3)对所述复合模型施加平行于所述金属型碳纳米管的轴线方向的电场，从施加电场时开始计时，根据施加的电场强度得到黑索金爆燃的时间。

【技术特征摘要】
1.一种黑索金爆燃模拟方法，其特征在于，包括：(1)建立黑索金晶体单胞的三维立体模型，将黑索金晶体单胞按照晶格常数a、b、c的排列结构分别放置在直角坐标系的x、y、z的正半轴上，然后将黑索金晶体单胞模型扩展为单晶模型；(2)在单晶模型中心将垂直于yoz平面的柱状区域的黑索金分子去掉，形成一个圆柱状的空洞，然后放入金属型碳纳米管进行耦合，得到复合模型；(3)对所述复合模型施加平行于所述金属型碳纳米管的轴线方向的电场，从施加电场时开始计时，根据施加的电场强度得到黑索金爆燃的时间。2.根据权利要求1所述的黑索金爆燃模拟方法，其特征在于，步骤(2)还包括：采用NPT热力学系综对所述复合模型进行优化弛豫，其具体过程为：设定复合模型的三维周期性边界条件和体系粒子数目，设定步...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敏，
申请(专利权)人：西南民族大学，
类型：发明
国别省市：四川,51