一种高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型构建方法与流程

1.本发明属于混合炸药领域，涉及高聚物粘结炸药装药过程，具体涉及一种高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型构建方法。


背景技术：

2.高聚物粘结炸药中的粘结剂通常为有机高聚物，它在混合炸药中作为粘结组分，主要起粘结作用，也可以起钝感剂、增塑剂和炸药载体的作用。高分子粘结剂将感度高的炸药加以粘结、包覆和钝感，在通过适当的成型和加工方法，利用了高分子聚合物良好的机械力学性能，可以将混合炸药制成成型性能良好，具有优良物理力学性能的产品，也可将混合炸药制成各种物理状态和特定形状，以满足各种使用要求。在混合炸药设计中，当确定了适当的高聚物粘结剂后，就要判定哪些粘接剂与主炸药结合更加稳定。目前，这一领域还没有十分成熟的理论。比如“极性相近”原则对大多数物质是适用的，但它只是一个经验的定性原则，缺乏定量的判据。溶解度参数相近原则能定量计算，但是不适用于强极性的聚合物-溶剂体系。基于组分间结合能越大，形成的粘结炸药越稳定的原则，提出一种高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型构建方法，对装药过程中各组分结合稳定性进行描述。
3.专利号cn201810909986.2的中国发明公开了一种层状金属复合材料界面结合能计算方法，该发明属于复合材料界面结合性能研究领域，从微观层面提出用界面结合能的大小来判断复合材料界面结合能的好坏。但是该发明仅能够针对层状金属复合材料进行评价，不能扩展到混合炸药领域，并且未考虑到统计力学原理。
4.因此，需要发明一种高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型，考虑粘结炸药的两组分，对装药过程中两组分结合稳定性进行描述。


技术实现要素：

5.为了实现上述目标，本发明采取如下的技术方案：
6.一种高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型构建方法，包括：
7.s1：根据高聚物粘结炸药的组分质量比、主装药的相对分子质量和粘接剂的相对分子质量，计算主装药的分子量和粘接剂的聚合度；
8.s2：根据s1中的参数，采用分子力学方法计算高聚物粘结炸药的总能量e
all
、主装药的总能量e
explo
和粘结剂的总能量e
poly
，则主装药与粘结剂的结合能e
bind
等于高聚物粘结炸药的总能量e
all
减去主装药的总能量e
explo
，再减去粘结剂的总能量e
poly
；
[0009][0010]
能量单位为kj/mol；
[0011]
取100帧材料分子轨迹，每一帧分子结构构象计算其相应的总能量，然后统计取平均值，得到主装药与高聚物粘结剂的结合能。
[0012]
可选的，所述的步骤s2还包括以下步骤：
[0013]
步骤s21，采用分子力学方法计算各个材料的总能量；
[0014]
分子总能量e
total
可表示为：
[0015]etotal
＝ec+eb+e
t
+ev+eh+ee+ed；
[0016]
式中：ec是键伸缩能，eb是键角弯曲能，e
t
是二面角扭转能，ev是van der waals作用能，eh是氢键作用能，ee是静电作用能，ed是偶极作用能；每一能量项均由一定势能函数形式和力场参数构成；能量单位为kj/mol；
[0017]
步骤s22，经过分子力学方法后，取100帧材料分子轨迹，每一帧分子结构构象计算其相应的总能量，然后统计取平均值，得到主装药与高聚物粘结剂的结合能，即：
[0018][0019]
n为帧数。
[0020]
可选的，所述的步骤s22还包括：
[0021]
在一定力场下进行分子动力学研究，首先由经验势能函数通过能量极小化得到坐标r，势能er对坐标的一阶导数的负值就是力f，单位为n，即：
[0022][0023]
再按牛顿第二定律得到加速度，即：
[0024][0025]
一旦知道了某时刻t的r、f和er，就可以知道另一时刻t+δt的力，再由新的力求得新速度，用新的力和速度得出新的位置，再利用分子力学方法，每一帧分子结构构象计算其相应的总能量。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
[0027]
(i)本发明所涉及的构建方法考虑了分子动力学方法的波动效应，利用统计力学原理可以更准确预测主装药与高聚物粘结剂的结合能；
[0028]
(ii)本发明所涉及的构建方法从高聚物粘结炸药的分子结构出发，构建了描述高聚物粘结炸药中组分间的结合能计算模型，减轻了对试验技术的依赖；
[0029]
(iii)本发明所涉及的构建方法有助于提高高聚物粘结炸药的设计研究水平。
具体实施方式
[0030]
以下结合具体实施例对本发明的方案做具体说明。
[0031]
本发明中能量单位均为kj/mol，力的单位均为n牛，材料即指的是炸药中各个不同成分，不同的成分采用不同的材料制作。
[0032]
本发明的高聚物粘结炸药组分间结合计算模型构建方法，包括以下步骤：
[0033]
s1：根据高聚物粘结炸药的组分质量比、主装药的相对分子质量和粘接剂的相对分子质量，计算主装药的分子量和粘接剂的聚合度；
[0034]
s2：根据s1中的参数计算高聚物粘结炸药的总能量e
all
、主装药的总能量e
explo
和粘结剂的总能量e
poly
，则主装药与粘结剂的结合能e
bind
等于高聚物粘结炸药的总能量e
all
减去主装药的总能量e
explo
，再减去粘结剂的总能量e
poly
；
[0035]ebind
＝e
all-e
explo-e
poly
(1.1)；
[0036]
进一步的，步骤s2，还包括以下步骤：
[0037]
步骤s21，在计算材料的总能量的时候，采用分子力学方法。分子力学方法以经典牛顿力学为基础，能快速计算分子的构象、能量和多种性质。分子力学方法将分子看作由一组靠弹性力维系在一起的原子的集合，其中每个化学键都有标准的键长和键角，分子要调整它的几何形状，必须使其键长和键角接近标准值，同时也使非键作用能处于最小。因此每个真实分子结构是相互制约个作用力的折衷表现。分子总能量e
total
可表示为：
[0038]etotal
＝ec+eb+e
t
+ev+eh+ee+ed(1.2)；
[0039]
式中ec是键伸缩能，ec是键伸缩能，eb是键角弯曲能，e
t
是二面角扭转能，ev是van der waals作用能，eh是氢键作用能，ee是静电作用能，ed是偶极作用能。每一能量项均由一定势能函数形式和力场参数构成。习惯上将这些参数和函数统称为力场。
[0040]
步骤s22，经过分子力学方法后，取100帧材料分子轨迹，每一帧分子结构构象计算其相应的总能量，然后统计取平均值，得到主装药与高聚物粘结剂的结合能，即：
[0041][0042]
进一步的，步骤s22，还包括以下内容：
[0043]
分子动力学是分子力学在特定力场下通过运用力、速度和位置等参数动态研究材料结构和性能的有效方法。分子动力学方法忽略核运动的量子效应，并且每一时刻电子均处在相应原子结构的基态。在一定力场下进行分子动力学研究，首先由经验势能函数通过能量极小化得到坐标r，势能er对坐标的一阶导数的负值就是力f，即：
[0044][0045]
再按牛顿第二定律得到加速度，即：
[0046][0047]
一旦知道了某时刻t的r、f和er，就可以知道另一时刻t+δt的力，再由新的力求得新速度，用新的力和速度得出新的位置，再利用分子力学方法，每一帧分子结构构象计算其相应的总能量。
[0048]
在分子动力学模拟中，力场一般包括三部分信息，即：原子类型、势函数和力场参数。不同的力场通常具有不同的函数形式或力场参数。用力场中的势函数表示原子或分子间的相互作用，从最开始的对势，已发展到目前的多体势，后者不仅考虑了原子间的相互作用，原子位置对电子云的影响也考虑了进去。目前最常用的多体势力场是compass力场，其函数形式如下：
[0049][0050]
上述函数主要包括共价键项和非共价键项。前11项是表征键长、键角、扭转角、二面角等内部坐标，第12项和第13项表示原子间的库伦相互作用和静电相互作用项。
[0051]
本发明公开的高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型，能够对包括其他混合炸药组分间的结合能进行计算，反映出混合炸药结合能的一般规律。
[0052]
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上所作的不同力场均落入本发明的保护范围。
[0053]
实施例1：
[0054]
遵从上述技术方案，本实施例使用高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型构建方法，对高聚物粘结炸药(cl-20/peg)的结合能进行建模计算。
[0055]
高聚物粘结炸药(cl-20/peg)，以质量分数计，组成为：六硝基六氮杂异伍兹烷(cl-20)：聚乙烯醇(peg)＝93.5：6.5。cl-20的相对分子量为31536，peg的分子聚合度为50，相对分子量为2252。
[0056]
采用compass力场，得到各个组分的总能量如下表所示：
[0057]
[0058]
[0059]
[0060][0061]
使用本发明提出的结合能计算模型得到：在高聚物粘结炸药(cl-20/peg)中，cl-20与peg的平均结合能为-425.76kcal/mol。
[0062]
以上所述仅为本方面的较优实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型构建方法，其特征在于，包括：s1：根据高聚物粘结炸药的组分质量比、主装药的相对分子质量和粘接剂的相对分子质量，计算主装药的分子量和粘接剂的聚合度；s2：根据s1中的参数，采用分子力学方法计算高聚物粘结炸药的总能量e
all
、主装药的总能量e
explo
和粘结剂的总能量e
poly
，则主装药与粘结剂的结合能e
bind
等于高聚物粘结炸药的总能量e
all
减去主装药的总能量e
explo
，再减去粘结剂的总能量e
poly
；e
bind
＝e
all-e
explo-e
poly
；能量单位为kj/mol；取100帧材料分子轨迹，每一帧分子结构构象计算其相应的总能量，然后统计取平均值，得到主装药与高聚物粘结剂的结合能。2.根据权利要求1所述的高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型构建方法，其特征在于，所述的步骤s2还包括以下步骤：步骤s21，采用分子力学方法计算各个材料的总能量；分子总能量e
total
可表示为：e
total
＝e
c
+e
b
+e
t
+e
v
+e
h
+e
e
+e
d
；式中：ec是键伸缩能，e
b
是键角弯曲能，e
t
是二面角扭转能，e
v
是van der waals作用能，e
h
是氢键作用能，e
e
是静电作用能，e
d
是偶极作用能；每一能量项均由一定势能函数形式和力场参数构成；能量单位为kj/mol；步骤s22，经过分子力学方法后，取100帧材料分子轨迹，每一帧分子结构构象计算其相应的总能量，然后统计取平均值，得到主装药与高聚物粘结剂的结合能，即：n为帧数。3.根据权利要求2所述的高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型构建方法，其特征在于，所述的步骤s22还包括：在一定力场下进行分子动力学研究，首先由经验势能函数通过能量极小化得到坐标r，势能e
r
对坐标的一阶导数的负值就是力f，单位为n，即：再按牛顿第二定律得到加速度，即：一旦知道了某时刻t的r、f和e
r
，就可以知道另一时刻t+δt的力，再由新的力求得新速度，用新的力和速度得出新的位置，再利用分子力学方法，每一帧分子结构构象计算其相应的总能量。

技术总结
本发明提供了一种高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型构建方法，具体包括以下步骤：计算高聚物粘结炸药的总能量、除掉高聚物粘结剂的主装药的总能量、和除掉主装药的高聚物粘结剂的总能量，则该主装药与该高聚物粘结剂的结合能等于高聚物粘结炸药的总能量，减去除掉高聚物粘结剂的主装药的总能量，再减去除掉主装药的高聚物粘结剂的总能量；在计算材料的总能量的时候，采用分子力学方法；经过分子力学方法后，取100帧材料分子轨迹，每一帧分子结构构象计算其相应的总能量，然后统计取平均值，得到主装药与高聚物粘结剂的结合能。本发明构建了高聚物粘结炸药组分间结合能计算模型构建方法，有助于提高高聚物粘结炸药的设计研究水平。水平。


技术研发人员：任海超 贾宪振 刘瑞鹏
受保护的技术使用者：西安近代化学研究所
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/10/7