摘要
传统的TNT基熔铸炸药存在力学性能差、爆轰性能不理想等缺点，已不能满足当前高能钝感弹药的发展要求。MTNP作为氮杂环类含能化合物，具有良好的热力学稳定性和爆轰性能。此外，它的熔点为91.5℃，被认为是替代TNT作为熔铸炸药载体的良好候选物。但是在MTNP基熔铸炸药的研发过程中必然会涉及到多组分配方的问题，组分种类、性能的复杂化必然会对其安全性和可靠性产生影响。研究炸药分子间相互作用是解决炸药组分间物理与化学问题的关键手段之一。本文通过量化计算和分子动力学模拟，研究了MTNP与金属Al、高能组分炸药(HMX和CL-20)之间的相互作用机理以及MTNP/HMX和MTNP/CL-20混合体系的各种性能，为MTNP在熔铸炸药中的应用提供思路和理论基础。主要研究内容如下： （1）运用基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一性原理计算研究了MTNP分子在Al(111)表面上的吸附解离机理。通过考虑Al(111)表面的吸附位点和MTNP的分子取向，构建了17种初始构型。在对这些构型完成几何优化后，计算分析了吸附能，电子密度差，电荷转移以及态密度。基于这些结果，可以得出MTNP在Al(111)表面发生解离和非解离吸附都是可能的，这取决于分子取向和所涉及的特定表面位点。在解离化学吸附的情况下，Al表面原子对MTNP中硝基O原子的吸附被确定为主要机制。解离的O原子与解离位点附近的Al原子形成强Al-O键。此外，O原子消除后而获得的自由基物种通过形成Al-N键或Al-O键与Al表面结合。此外，在该过程中还伴随着电子的转移，Al表面的电子向MTNP分子转移。当MTNP中的甲基垂直位于Al表面上方时，由于甲基与Al之间的互斥作用，MTNP发生物理吸附。因此，MTNP与Al之间的接触将导致快速氧化反应，在Al表面形成氧化铝涂层。当氧化物涂层的厚度较大时，其存在将严重降低使用Al颗粒的潜在优势。 （2）运用色散矫正的密度泛函理论，研究了MTNP与两种高能组分炸药(HMX与CL-20)之间的相互作用。在M062X-D3/def2-TZVP//B3LYP-D3(BJ)/6-311+G(d，p)的理论水平上对MTNP/HMX与MTNP/CL-20体系进行了结构优化和相互作用能计算。通过分子中原子理论，IGMH方法，对称微扰理论以及静电势对体系中相互作用的类型，强度，本质和主要贡献进行了详细的分析。结果表明MTNP/HMX和MTNP/CL-20体系中都存在C-H···O类型的氢键和C···O,O···O,N···O类型的范德华相互作用，同时还揭示相互作用的主要贡献来自于静电和色散作用，虽然诱导作用的贡献没有前两者突出，但是也不能忽视。相互作用能的对比结果表明MTNP/HMX体系具有更高的稳定性。此外，通过计算高能组分炸药在与MTNP形成复合物前后其硝基所带的电荷对高能组分炸药的感度变化进行了预测，结果均表明在与MTNP形成复合物后高能组分炸药的感度降低。 （3）构建了不同质量比下MTNP/HMX和MTNP/CL-20混合体系的界面模型，利用分子动力学模拟方法计算了体系的结合能，径向分布函数，力学性能和爆轰性能。结合能的计算结果表明MTNP/HMX在质量比为45∶50，MTNP/CL-20在质量比为40∶60和50∶50时结合能较大，此时体系较稳定。径向分布函数分析表明MTNP/HMX和MTNP/CL-20体系界面间主要通过MTNP中的H原子和高能组分炸药中硝基的O原子形成氢键，这有利于混合体系的稳定。MTNP/HMX(45∶50)和MTNP/CL-20(50∶50)混合体系拥有较小的K，G，E以及较大的μ，C12-C44，K/G，此时体系刚性较小，柔性增强，力学性能较优。通过Explo5计算的爆轰性能说明混合体系相对于纯高能组分，其爆轰性能有所降低，但是始终优于MTNP。
NETL