HMX晶體加工及力學(xué)性能模擬

沈 忱，王建華，梁金剛，劉玉存，柴 濤

?

HMX晶體加工及力學(xué)性能模擬

沈 忱1，王建華1，梁金剛2，劉玉存1，柴 濤1

（1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051；2.山東圣世達(dá)化工有限責(zé)任公司，山東 淄博，255206）

通過(guò)分析HMX晶體的精加工過(guò)程，發(fā)現(xiàn)切割速度對(duì)晶體的加工質(zhì)量有重要影響，而且速度大小需要隨著溫度和晶面的變化而不斷調(diào)整。采用分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法，在COMPASS力場(chǎng)下模擬了HMX晶體(011)和(010)晶面在不同溫度下的力學(xué)性能。結(jié)果表明：隨著溫度的升高，晶面的楊氏模量（）、體積模量（）、剪切模量（）、/呈先上升后下降趨勢(shì)，說(shuō)明HMX晶體的剛度、斷裂強(qiáng)度、硬度、韌性均隨溫度升高而先升高后下降，其中(011)面和(010)面的各模量分別在308K、298K達(dá)最大值，預(yù)測(cè)(011)面的最優(yōu)加工溫度在308K左右，(010)面的最優(yōu)加工溫度在298K左右，這與實(shí)際加工過(guò)程相符。

HMX；晶體切割；分子動(dòng)力學(xué)；力學(xué)性能

研究晶體是了解炸藥特性的一種最為直接有效的方法，對(duì)研究炸藥的起爆機(jī)理、安全性能評(píng)估、炸藥降感、武器裝藥設(shè)計(jì)等有重要的意義[1-2]。中國(guó)工程物理研究院[3-4]利用磁驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)等熵壓縮加載技術(shù)研究了炸藥晶體的固固相變過(guò)程及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，并深入研究了晶體的破碎與細(xì)觀斷裂行為。北京理工大學(xué)的研究人員[5]利用納米壓痕技術(shù)測(cè)定了HMX和RDX晶面的力學(xué)行為和微觀破壞特征。國(guó)外對(duì)炸藥晶體類(lèi)似的研究也很多[6-7]。這些研究都是以高品質(zhì)的炸藥晶片為研究對(duì)象，晶片的表面粗糙度、平行度等直接影響測(cè)試結(jié)果，所以制備高品質(zhì)的炸藥晶片十分必要。

奧克托今（Octahydro- 1,3,5,7- tetranitor- 1,3,5,7- tetrazocine，HMX）是一種綜合性能良好的硝胺類(lèi)炸藥，廣泛應(yīng)用于各種武器系統(tǒng)中，開(kāi)展其晶體的相關(guān)研究能夠充分認(rèn)識(shí)HMX的性質(zhì)。晶體的研究主要以定向晶片為研究對(duì)象，目前多數(shù)研究人員直接購(gòu)買(mǎi)加工好的晶體，很少注意到晶體在加工過(guò)程中的問(wèn)題。本文分析了影響晶體加工的主要因素，并通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了（011）面和（010）面在不同溫度下的力學(xué)性能，研究其隨溫度變化的遞變規(guī)律，為晶體加工工藝的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 加工過(guò)程

晶體加工過(guò)程主要分為兩步：首先對(duì)晶體進(jìn)行定向切割，然后對(duì)所得晶片進(jìn)行拋光處理以獲得表面光滑、平行度高的晶體。

1.1 切割方法

晶體的切割過(guò)程在金剛石線切割機(jī)上完成，切割時(shí)，晶體固定在工作臺(tái)上，金剛石線以一定的速度1沿平行于切割面的方向（軸）運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)晶體以一定的速度2向上（軸）運(yùn)動(dòng)，在摩擦力作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體的切割，切割原理如圖1所示。

圖1 切割原理

切割過(guò)程中用冷卻液對(duì)晶體實(shí)施物理降溫，以防止產(chǎn)生局部熱點(diǎn)造成安全隱患。同時(shí)，冷卻液也為精確控溫提供可能，通過(guò)控制冷卻液的溫度就能實(shí)現(xiàn)對(duì)切割溫度的控制。

1.2 切割速度對(duì)晶體表面粗糙度的影響

為了研究切割速度對(duì)晶體表面粗糙度的影響，對(duì)HMX（011）面進(jìn)行定向切割，主軸速度1=180r/min，切割速度2分別設(shè)置為0.1mm/min、0.3mm/min、0.5mm/min。將所得晶片進(jìn)行3D掃描檢測(cè)，如圖2所示，圖2（b）中的白色是HMX的粉末，造成誤差，讀數(shù)時(shí)忽略雜質(zhì)點(diǎn)。

圖 2 HMX(011)面3D掃描和放大圖

從圖2中可以看出，切割速度0.1mm/min得到的晶片表面高度差是3.5μm左右，切割速度0.3mm/min的是9.2μm左右，切割速度0.5mm/min的是16μm左右。由此可見(jiàn)，切割速度越慢，晶片表面粗糙度越低。表面粗糙度影響晶片的后續(xù)拋光過(guò)程，晶片表面越平滑越容易拋光，所得晶片的平行度也越高。但是，切割速度過(guò)低則會(huì)消耗大量時(shí)間，不利于提高工作效率。

1.3 晶面對(duì)加工過(guò)程的影響

HMX是典型的各項(xiàng)異性材料，不同晶面的彈性模量、斷裂韌性有明顯差異。室溫下，在保證切割質(zhì)量的前提下，HMX側(cè)面的切割速度要比最大晶面（011）的切割速度快0.3倍左右，而且側(cè)面拋光不易碎，成功率高。

圖3（a）給出了實(shí)驗(yàn)室通過(guò)降溫結(jié)晶法培養(yǎng)的厘米級(jí)HMX晶體圖。在=20℃、2=0.15mm/mim切割條件下，用光學(xué)顯微鏡觀察HMX單晶（011）面和（010）面，分別如圖3（b）、圖3（c）所示，可以明顯看出同一晶體不同切割面的表面粗糙程度不同，表明其力學(xué)性能不同。

圖 3 HMX晶體及晶片（未拋光）

1.4 溫度對(duì)加工過(guò)程的影響

室溫下，切割相同的晶片，28℃時(shí)的切割速度比18℃時(shí)的切割速度高1倍左右，而且在拋光過(guò)程中不易碎裂，溫度越高晶體越容易加工。晶體受溫度的影響比較大，10℃左右的溫度梯度變化就有可能使晶體發(fā)生斷裂。例如，20℃左右的室溫下，人體與晶體直接接觸，晶體會(huì)由于受熱不均勻發(fā)生斷裂，這也是晶體切割加工過(guò)程中常見(jiàn)的現(xiàn)象之一。因此，研究晶體的力學(xué)性能時(shí)要充分考慮溫度的影響。

1.5 HMX晶體加工工藝確定

通過(guò)研究晶面、冷卻液溫度對(duì)切割速度的影響，針對(duì)不同晶片厚度和晶面，確定了溫度和切割速度，如表1所示。

表1 HMX單晶的切割參數(shù)

Tab.1 The cutting parameters of HMX crystal

在保證切割質(zhì)量的條件下，側(cè)面的最優(yōu)切割速度比最大面（011）高。同一晶面，溫度越高、晶片厚度越大，切割速度越高。拋光過(guò)程分為粗拋和精拋兩個(gè)過(guò)程：首先用7μm的剛玉研磨粉進(jìn)行粗拋，目測(cè)晶體表面光滑無(wú)明顯劃痕時(shí)，然后用0.75μm的氧化鈰粉進(jìn)行精拋。

2 模擬部分

為了充分研究溫度對(duì)晶體加工過(guò)程的影響，對(duì)不同溫度下的（011）面和（010）面展開(kāi)模擬研究，計(jì)算其力學(xué)性能。

2.1 模擬細(xì)節(jié)

從CCDC劍橋晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中直接導(dǎo)出HMX的晶體結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)為：=6.54，=11.05，=8.70；==90°，=124.30°。利用Materials Studio[8]軟件中的discover模塊和Forcite模塊進(jìn)行模擬計(jì)算。首先，建立3×3×3的HMX超級(jí)晶胞，能量最小化后沿所要計(jì)算的晶面進(jìn)行切割分面，然后用所得晶面建層，上層真空度設(shè)為0，搭建好的初始模型如圖4所示。初始模型經(jīng)過(guò)10 000步的能量最小化后，再進(jìn)行幾何優(yōu)化，最后在Compass力場(chǎng)[9]下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。選用NPT系綜，Andersen控溫方法和Parrinello控壓方法[10]，壓力為1.0×105Pa，靜電作用和范德華作用分別用Ewlad和atom-based[11]求和方法。溫度依次設(shè)定為278K、288K、298K、308K、318K、328K，時(shí)間步長(zhǎng)為1fs，模擬時(shí)間為200ps，每100步保存1幀，這樣獲得體系平衡結(jié)構(gòu)和分子的運(yùn)動(dòng)軌跡，取軌跡最后30幀計(jì)算其力學(xué)性能。

圖4 模型構(gòu)建

2.2 結(jié)果與討論

楊氏模量（）表示物體彈性變形難易程度，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大。體積模量（）表示產(chǎn)生單位相對(duì)體積收縮所需的壓力，越大，使材料發(fā)生一定的壓縮變形的壓力越大，即材料的斷裂強(qiáng)度越大。剪切模量（）表示材料抵抗切應(yīng)變的能力。其中，、、的關(guān)系滿足式（1）[12]：

=2（1+）=3(1－2) （1）

式（1）中：為泊松比；為楊氏模量；為剪切模量；為體積模量。

HMX晶體在不同溫度下的力學(xué)性能參數(shù)，如表2所示。從表2中可以看出，隨溫度的升高，HMX的（011）晶面和（010）晶面的楊氏模量（）、體積模量（）、剪切模量（）、/呈先上升后下降趨勢(shì)，說(shuō)明HMX晶體的剛度、斷裂強(qiáng)度、硬度、韌性均隨溫度升高先升高后下降。（011）晶面的各模量在308K達(dá)到最大值，（010）晶面的各模量在298K達(dá)到最大值?？挛鲏海?2-44）為負(fù)值，說(shuō)明HMX晶體是脆性材料，但隨溫度的升高其值上升，表明其延展性有所改善。

晶體在切割過(guò)程中，會(huì)受到來(lái)自x軸方向的摩擦載荷和來(lái)自z軸方向的壓力載荷，同時(shí)由于金剛石線的震動(dòng)，會(huì)在y軸方向形成剪切應(yīng)力。晶體在拋光過(guò)程中，下底面受到靜摩擦力作用，上底面受到滑動(dòng)摩擦力作用，發(fā)生剪切變形，同時(shí)由于拋體表面缺陷、磨料分布不均，晶體會(huì)產(chǎn)生拉伸變形或擠壓變形。在保持切割速度不變的條件下，也就是說(shuō)HMX晶體受到的作用力載荷不變，各模量越大，抵抗外界載荷的能力越強(qiáng)，晶體越不容易發(fā)生斷裂。既在保證晶體不發(fā)生斷裂的情況下，模量較大時(shí)，可以適當(dāng)提高作用力載荷，即適當(dāng)提高切割速率。對(duì)于拋光過(guò)程同樣如此，所以最大面（011）面的最優(yōu)加工溫度在308K左右，（010）面的最優(yōu)加工溫度在298K左右。

表 2 不同溫度下(011)面和(010)面的力學(xué)性能

Tab.2 The mechanical properties of (011)face and (010)face at different temperatures (GPa)

注：12-44為柯西壓；為楊氏模量；為體積模量；為剪切模量；為泊松比。

同一溫度下，較低溫度時(shí)（011）晶面的各模量參數(shù)比（010）面的小，抵抗外界載荷的能力較弱；較高溫度時(shí)（011）面的各模量參數(shù)比（010）面的大，抵抗外界載荷的能力較強(qiáng)。這很好地解釋了室溫條件下最大面（011）較難加工的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)HMX晶體的加工過(guò)程進(jìn)行分析，確定了HMX晶體不同晶面和溫度下的最優(yōu)加工參數(shù)。模擬研究表明隨溫度的升高，HMX（011）面和（010）面的剛度、斷裂強(qiáng)度、硬度、韌性均隨溫度升高先升高后下降，其中，（011）面的各模量在308K達(dá)最大值，（010）面的各模量在298K達(dá)最大值。室溫范圍內(nèi)，相同溫度條件下，（010）面的力學(xué)性能優(yōu)于（011）面。預(yù)測(cè)（011）晶面的最優(yōu)加工溫度在308K左右；（010）晶面的最優(yōu)加工溫度在298K左右。

[1] Ralph Menikoff, J Dick, D E Hooks. Analysis of wave profiles for single-crystal cyclotetramethylene tetranitramine[J]. Journal of Applied Physics, 2004, 97(2): 0 235 291-0 235 296.

[2] Conroy M W, Oleynik I I, Zybin S V, et al, First-principles anisotropic constitutive relationships in β-cyclotetramethylene tetranitramine(β-HMX)[J]. Journal of Applied Physics, 2008, 104(5):0 535 061-0 535 065.

[3] 張紅平,李牧,等. RDX(210)單晶準(zhǔn)等熵壓縮實(shí)驗(yàn)的數(shù)值分析[J]. 爆炸與沖擊,2011,31(3) :274-278.

[4] 王東冬,李明,等. RDX和HMX單晶的壓痕斷裂韌性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2011,34(1):28-31.

[5] 王昕捷,吳艷青,黃風(fēng)雷.含能單晶微納米力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2014,35(2):178-183.

[6] Baer M R, Hall C A, Gustavsen R L, et al. Isentropic loading experiments of a plastic bonded explosive and constituents [J]. Journal of Applied Physics,2007,101(3):034 906 91-034 906 99.

[7] Stevens L L, Eckhardt C J. The elastic constants and related properties of β-HMX determined by Brillouin scattering [J]. The Journal of Chemical Physics, 2005, 122(17) :122-147.

[8] Materials Studio 7.0[Z].Discover/Accelrys,San Diego,CA, 2013.

[9] H. Sun.COMPASS: an abinitio force-field optimized for condensed-phase applications-overview with details on alkane and benzene compounds[J].J.Phys.Chem,1998(B102):7 338-7 364.

[10] H.C. Andersen, Molecular dynamics simulations at constant pressure and/or temperature[J].J.Chem.Phys,1980,72(4):2 374-2 383.

[11] P. Ewald.Evaluation of optical and electrostatic lattice potentials[J].Ann. Phys, 1921(64):253-287.

[12] Ji jun Xiao, Hui Huang, et al. Computation of interface interactions and mechanical properties of HMX-based PBX with Estane 5703 from atomic simulation[J]. The Journal of Mater Science, 2008,43(17):5 685-5 691.

HMX Crystal Processing and Simulation of Mechanical Properties

SHEN Chen1，WANG Jian-hua1，LIANG Jin-gang2，LIU Yu-cun1，CHAI Tao1

（1.School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan, 030051； 2.Shandong Shengshida Chemical Co. Ltd., Zibo, 255206)

Through analyzing the HMX crystal processing, it is found that the cutting speed is very important to the crystal carving, and should be constantly changed to adjust the variation of crystal face and temperature. By molecular dynamics(MD), the mechanical properties of (011) face and (010) face of HMX crystal were simulated in different temperatures with COMPASS force filed. The results show that, with the increasing of temperature, Young modulus (), bulk modulus (), shear modulus () and the ratio of/rise in the first stage and then decrease, which indicate that the stiffness, breaking strength, hardness, tenacity of the HMX crystal all rise firstly and then decline with the temperature raising. The modulus of (011) and (010) reached maximum at 308K and 298K respectively. The optimal processing temperature of (011) face is predicted of 308K and that of (010) face is 298K, which according with the actual processing.

HMX；Crystal processing；Molecular dynamics；Mechanical properties

1003-1480（2017）05-0016-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.005

2017-06-30

沈忱（1990 -），男，在讀碩士研究生，主要從事含能化合物晶體研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)工程物理研究院聯(lián)合基金資金項(xiàng)目（U1330135）。