冲击载荷下TATB晶体滑移和各向异性的分子动力学研究

周婷婷 宋华杰 黄风雷

引用本文: 周婷婷,  宋华杰,  黄风雷. 冲击载荷下TATB晶体滑移和各向异性的分子动力学研究[J]. 物理化学学报, 2017, 33(5): 949-959. doi: 10.3866/PKU.WHXB201702152 shu
Citation:  ZHOU Ting-Ting,  SONG Hua-Jie,  HUANG Feng-Lei. The Slip and Anisotropy of TATB Crystal under Shock Loading via Molecular Dynamics Simulation[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(5): 949-959. doi: 10.3866/PKU.WHXB201702152 shu

冲击载荷下TATB晶体滑移和各向异性的分子动力学研究

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(11402031,11372053,11221202)资助项目

摘要: 采用ReaxFF反应力场和分子动力学方法,研究了1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)炸药晶体在沿不同方向冲击载荷下的滑移和各向异性。冲击方向分别垂直于(101)、(111)、(011)、(110)、(010)、(100)和(001)晶面,冲击强度为10 GPa。研究结果表明,各冲击方向下可能被激发的滑移系均在{001}面,而其它滑移系均因很大的剪切阻力不容易被激发,这与TATB晶体沿c 轴的层状结构和平面分子结构相符。预测了七个冲击方向下最容易被激发的滑移系,分别为(101)/{001}<100>、(111)/{001}<010>、(011)/{001}<010>、(110)/{001}<010>、(010)/{001}<110>、(100)/{001}<120>和(001)/{001}<010>。TATB 晶体的冲击响应具有各向异性,动力学过程中体系的应力、能量、温度和化学反应都依赖于冲击方向。对垂直于(100)和(001)晶面的冲击,体系在滑移过程中遭遇的剪切阻力较高、持续时间较长,使得能量和温度较快升高,化学反应较容易发生;对垂直于(101)和(111)晶面的冲击,体系在滑移过程中遭遇的阻力较小且出现次数少,使得能量和温度缓慢升高,化学反应不易发生;对其余冲击方向,体系的响应居中。据此评价了7个冲击方向的相对敏感程度:(101)、(111)<(011)、(110)、(010)<(100)、(001)。本研究有助于在微观层次深入认识动载荷下TATB的响应机制、结构与性能的关系,为高能低感炸药的设计和研制提供理论参考。

English

    1. [1]

      Jackson, C. L.; Wing, J. F. J. Am. Chem. Soc. 1887, 9, 354.

    2. [2]

      Travis, J. R. TATB: The IHE exemplar. Report No. LA-UR-92-3883, Los Alamos National Laboratory, NM, USA, 1992.

    3. [3]

      Dobratz, B. M. The insensitive high explosivetriaminotrinitrobenzene (TATB): Development andcharacterization-1888 to 1994. Report No. LA-13014-H, LosAlamos National Laboratory, NM, USA, 1995.

    4. [4]

      Rice, S. F.; Simpson, R. L. The Unusual Stability of TATB: AReview of the Scientific Literature. Report No. UCRL-LR-103683, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, USA 1990.

    5. [5]

      Cady, H. H.; Larson, A. C. Acta Cryst. 1965, 18, 485.doi: 10.1107/S0365110X6500107X

    6. [6]

      Agrawal, J. P. Progr. Energy Combust. Sci. 1998, 24, 1.doi: 10.1016/S0360-1285(97)00015-4

    7. [7]

      Wu, C. J.; Fried, L. E. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 6447. doi: 10.1021/jp001019r

    8. [8]

      Xiao, H. M. The Theory of the Molecular Orbits forNitrocompound; National Defence Industry Press: Beijing, 1993. [肖鹤鸣. 硝基化合物的分子轨道理论. 北京: 国防工业出版社, 1993.]

    9. [9]

      Manaa, M. R.; Gee, R. H.; Fried, L. E. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 8806. doi: 10.1021/jp0259972

    10. [10]

      Roszak, S.; Gee, R. H.; Balasubramanian, K.; Fried, L. E.Chem. Phys. Lett. 2003, 374, 286. doi: 10.1016/S0009-2614(03)00727-9

    11. [11]

      Zhang, C. Y.; Wang, X.; Huang, H. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 8359. doi: 10.1021/ja800712e

    12. [12]

      Ojeda, O. U.; Cagin, T. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 12085.doi: 10.1021/jp2007649

    13. [13]

      Pravica, M.; Yulga, B.; Liu, Z. X.; Tschauner, O. Phys. Rev. B 2007, 76, 064102. doi: 10.1103/PhysRevB.76.064102

    14. [14]

      Pravica, M.; Yulga, B.; Tkachev, S.; Liu, Z. X. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 9133. doi: 10.1021/jp903584x

    15. [15]

      Manaa, M. R.; Fried, L. E. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 2116.doi: 10.1021/jp205920n

    16. [16]

      Dong, H. S. Chin. J. Energy Mater. 2004, 12, 1.

    17. [17]

      Kolb, J. R.; Rizzo, H. F. Propellants Explos. Pyrotech. 1979, 4, 10. doi: 10.1002/prep.19790040104

    18. [18]

      Gee, R. H.; Roszak, S.; Balasubramanian, K.; Fried, L. E. J.Chem. Phys. 2004, 120, 7059. doi: 10.1063/1.1676120

    19. [19]

      Sun, J.; Kang, B.; Xue, C.; Liu, Y.; Xia, Y. X.; Liu, X. F.; Zhang, W. Journal of Energetic Materials 2010, 28, 189. doi: 10.1080/07370650903401254

    20. [20]

      Taylor, D. E. J. Phys. Chem. A 2013, 117, 3507. doi: 10.1021/jp4005289

    21. [21]

      Bedrov, D.; Borodin, O.; Smith, G. D.; Sewell, T. D.; Dattelbaum, D. M.; Stevens, L. L. J. Chem. Phys. 2009, 131, 224703. doi: 10.1063/1.3264972

    22. [22]

      Kroonblawd, M. P.; Sewell, T. D. J. Chem. Phys. 2013, 139, 074503. doi: 10.1063/1.4816667

    23. [23]

      Kroonblawd, M. P.; Sewell, T. D. J. Chem. Phys. 2014, 141, 184501. doi: 10.1063/1.4901206

    24. [24]

      Mathew, N.; Sewell, T. D.; Thompson, D. L. J. Chem. Phys. 2015, 143, 094706. doi: 10.1063/1.4929806

    25. [25]

      Liu, H.; Zhao, J.; Du, J.; Gong, Z.; Ji, G. F.; Wei, D. Q. Phys.Lett. A 2007, 367, 383. doi: 10.1016/j.physleta.2007.03.048

    26. [26]

      Stevens, L. L.; Velisavljevic, N.; Hooks, D. E.; Dattelbaum, D.M. Propellants, Explos. Pyrotech. 2008, 33, 286. doi: 10.1002/prep.200700270

    27. [27]

      Valenzano, L.; Slough, W. J.; Perger, W. AIP Conf. Proc. 2012, 1426, 1191. doi: 10.1063/1.3686493

    28. [28]

      Budzevich, M. M.; Landerville, A. C.; Conroy, M.W.; Lin, Y.; Oleynik, I. I.; White, C. T. J. Appl. Phys. 2010, 107, 113524. doi: 10.1063/1.3361407

    29. [29]

      Bowden, F. P.; Yoffe, A. D. Initiation and Growth of Explosionin Liquids and Solids, 1st ed.; Cambridge University Press:Cambridge, 1985.

    30. [30]

      Dick, J. J.; Mulford, R. N.; Spencer, W. J.; Pettit, D. R.; Garcia, E.; Shaw, D. C. J. Appl. Phys. 1991, 70, 3572. doi: 10.1063/1.349253

    31. [31]

      Armstrong, R.W.; Ammon, H. L.; Elban, W. L.; Tsai, D. H.Thermochim. Acta 2002, 384, 303. doi: 10.1016/S0040-6031(01)00786-9

    32. [32]

      Dick, J. J.; Ritchie, J. P. J. Appl. Phys. 1994, 76, 2726. doi: 10.1063/1.357576

    33. [33]

      Dick, J. J. J. Appl. Phys. 1997, 81, 601. doi: 10.1063/1.364201

    34. [34]

      Yoo, C. S.; Holmes, N. C.; Souers, P. C.; Wu, C. J.; Ree, F. H.; Dick, J. J. J. Appl. Phys. 2000, 88, 70. doi: 10.1063/1.373626

    35. [35]

      Dick, J. J.; Hooks, D. E.; Menikoff, R.; Martinez, A. R. J. Appl.Phys. 2004, 96, 374. doi: 10.1063/1.1757026

    36. [36]

      Menikoff, R.; Dick, J. J.; Hooks, D. E. J. Appl. Phys. 2005, 97, 023529. doi: 10.1063/1.1828602

    37. [37]

      Jaramillo, E.; Sewell, T. D.; Strachan, A. Phys. Rev. B 2007, 76, 064112. doi: 10.1103/PhysRevB.76.064112

    38. [38]

      Ramos, K. J.; Hooks, D. E.; Sewell, T. D.; Cawkwell, M. J. J.Appl. Phys. 2010, 108, 066105. doi: 10.1063/1.3485807

    39. [39]

      Cawkwell, M. J.; Ramos, K. J.; Hooks, D. E.; Sewell, T. D. J.Appl. Phys. 2010, 107, 063512. doi: 10.1063/1.3305630

    40. [40]

      Bedrov, D.; Hooper, J. B.; Smith, G. D.; Sewell, T. D. J. Chem.Phys. 2009, 131, 034712. doi: 10.1063/1.3177350

    41. [41]

      Eason, R. M.; Sewell, T. D. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 2226.doi: 10.1021/jp206826d

    42. [42]

      Conroy, M.W.; Oleynik, I. I.; Zybin, S. V.; White, C. T. Phys.Rev. B 2008, 77, 094107. doi: 10.1103/PhysRevB.77.094107

    43. [43]

      Conroy, M.W.; Oleynik, I. I.; Zybin, S. V.; White, C. T. J. Appl.Phys. 2008, 104, 053506. doi: 10.1063/1.2973689

    44. [44]

      Zybin, S. V.; GoddardI, W. A., Ⅱ; Xu, P.; van Duin, A. C. T.; Thompson, A. P. Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 081918.doi: 10.1063/1.3323103

    45. [45]

      An, Q.; Liu, Y.; Zybin S. V.; Kim, H.; Goddard Ⅲ, W. A. J.Phys. Chem. C 2012, 116, 10198. doi: 10.1021/jp300711m

    46. [46]

      Zhou, T. T.; Zybin, S. V.; Liu, Y.; Huang, F. L.; Goddard, W. A.Ⅲ. J. Appl. Phys. 2012, 111, 124904. doi: 10.1063/1.4729114

    47. [47]

      Song, H. J.; Zhou, T. T.; Huang, F. L.; Hong, T. Acta Phys.-Chim. Sin. 2014, 30, 2024. [宋华杰, 周婷婷, 黄风雷, 洪滔.物理化学学报, 2014, 30, 2024.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201409192

    48. [48]

      Kuklja, M. M.; Rashkeev, S. N. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 151913. doi: 10.1063/1.2719031

    49. [49]

      Kuklja, M. M.; Rashkeev, S. N. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 363. doi: 10.1021/jz9001967

    50. [50]

      Kuklja, M. M.; Rashkeev, S. N. Journal of Energetic Materials 2010, 28, 66. doi: 10.1080/07370651003639397

    51. [51]

      Zhang, C. Y. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 14295. doi: 10.1021/jp0770357

    52. [52]

      Mathew, N.; Sewell, T. D. Philosophical Magazine 2015, 95, 424. doi: 10.1080/14786435.2015.1006706

    53. [53]

      van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; Lorant, F.; Goddard Ⅲ, W. A.J. Phys. Chem. A 2001, 105, 9396. doi: 10.1021/jp004368u

    54. [54]

      Zhou, T. T.; Shi, Y. D.; Huang, F. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 2605. [周婷婷, 石一丁, 黄风雷. 物理化学学报, 2012, 28, 2605.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201208031

    55. [55]

      Strachan, A.; van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; Chakraborty, D.; Goddard Ⅲ, W. A. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 098301.doi: 10.1103/PhysRevLett.91.098301

    56. [56]

      Nomura, K.; Kalia, R. K.; Nakano, A.; Vashishta, P. Appl. Phys.Lett. 2007, 91, 183109. doi: 10.1063/1.2804557

    57. [57]

      An, Q.; Zybin, S. V.; Goddard Ⅲ, W. A.; Botero, A. J.; Blanco, M.; Luo, S. N. Phys. Rev. B 2011, 84, 220101. doi: 10.1103/PhysRevB.84.220101

    58. [58]

      Liu, L. C.; Liu, Y.; Zybin, S. V.; Goddard Ⅲ, W. A. J. Phys.Chem. A 2011, 115, 11016. doi: 10.1021/jp201599t

    59. [59]

      Zhou, T. T.; Lou, J. F.; Zhang, Y. G.; Song, H. J.; Huang, F. L.Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 17627. doi: 10.1039/C6CP02015A

    60. [60]

      Wang, Y. N.; Chen, S. J.; Dong, X. C. Dislocation Theory andIts Application; Metallurgical Industry Press: Beijing, 2007. [王亚男, 陈树江, 董希淳. 位错理论及其应用. 北京: 冶金工业出版社, 2007.]

    61. [61]

      Thompson, A. P. General Reactive Atomistic SimulationPackage; Sandia National Laboratories: NM, USA 2005.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  379
  • HTML全文浏览量:  65
文章相关
  • 发布日期:  2017-02-15
  • 收稿日期:  2016-10-10
  • 修回日期:  2017-02-13
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章