一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法

本发明属于分子动力学模拟，具体涉及一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法。

背景技术：

1、燃烧渐增性发射药可以有效提高身管武器的综合性能，发射药的能量释放渐增性是通过调控发射药在燃烧过程中燃气释放规律来实现的。梯度硝基发射药作为新型的燃烧渐增性发射药，是采用化学裁剪的方法，利用皂化剂将发射药表层中的含能基团硝酸酯基有表及里进行脱除，从而实现发射药表层中含能基团硝酸酯基的分布呈现有表及里梯度增加。梯度硝基发射药的制备过程是皂化剂(液相)与发射药颗粒(固相)之间复杂的固液两相反应过程，该过程主要包含两步：1)皂化剂从发射药颗粒表面向内部扩散的过程；2)皂化剂与发射药颗粒中硝酸酯基之间的水解反应过程。其中，皂化剂在发射药颗粒中的扩散行为直接影响了梯度硝基发射药表层中硝酸酯基的浓度和分布。由于发射药中硝酸酯基的分布直接影响发射药的燃烧性能和热稳定性。因此研究皂化剂在发射药中的扩散行为对梯度硝基发射药的可控制备至关重要。

2、为了研究小分子物质在发射药中的扩散情况，国内外主要采取显微红外光谱等实验仪器手段来测定小分子物质的扩散情况，并通过fick第二定律来进行线性拟合得到扩散系数，但存在着耗时长、检测不准确、操作复杂等问题。随着量子力学、分子力学等理论学科的迅速发展，分子动力学模拟技术作为一种基于分子尺度的模拟工具，已经被广泛用于研究小分子在聚合物中的扩散过程。且采用分子动力学模拟的方法不仅可以从微观的角度来探究问题，同时具备着耗时短、花费少等优点。

技术实现思路

1、针对现有拟合扩散系数的方法耗时长、检测不准确、操作复杂等问题，本发明提供了一种基于分子动力学模拟研究水合肼在发射药中扩散过程的方法。

2、硝化棉作为发射药的主要成分，本发明以水合肼为皂化剂，以硝化棉为基体，研究水合肼分子在硝化棉高分子链中的扩散行为。本发明基于分子动力学模拟软件materialsstudio软件，构建水合肼/硝化棉/水分子体系模型，选择合适的力场函数，设置合适的模拟参数和方法步骤，得到水合肼分子在硝化棉高分子链中的均方位移msd曲线，根据爱因斯坦方程计算得到水合肼分子在硝化棉高分子链中的扩散系数；

3、通过改变模拟参数，探究不同温度、水合肼浓度、硝化棉含氮量和硝化甘油的含量对水合肼在发射药中扩散性能的影响；在模拟结果中可以结合扩散系数、径向分布函数和自由体积分数对扩散过程进行分析，以此来找出影响水合肼在发射药中扩散过程的控制因素。

4、为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

5、一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6、步骤1：构建初始模型：利用materials studio软件中的materials visualizer模块构建硝化棉分子链、硝化甘油、水合肼分子以及水分子的初始三维分子动力学模型；

7、进一步的，所述步骤1中所构建的模型中硝化棉的含氮量为0～14.14％，模型中放置指定含氮量的硝化棉分子链2～5条；

8、进一步的，所述步骤1中所构建的模型中硝化甘油的浓度为0～10％；

9、进一步的，所述步骤1中所构建的模型中水合肼分子的浓度为5％～30％，体系中固液比为1:2；

10、进一步的，所述步骤1中根据所构建的模型中肼分子和水分子、溶剂水分子的数量根据所设定水合肼分子的浓度、固液比为1:2、硝化甘油以及硝化棉分子链确定；

11、步骤2：对模型进行优化：采用能量最小化方法，对所构建的模型进行结构优化，选取能量最低的一帧对所选取的模型进行退火处理，目的是为了进一步寻找全局最优构型；

12、步骤2.1：利用materials studio软件中的clean工具对所构建的初始分子动力学模型进行符合化学结构的初步优化，在此基础上通过discover模块再对模型进行能量最小化获得最稳定的分子构型；

13、步骤2.2：利用materials studio软件中的amorphous cell模块构建硝化棉体系正方体盒子，并根据脱硝反应所需的水合肼的浓度放置一定数量优化结构后的肼分子和水分子，构成硝化棉水合肼体系模型，设定系统参数温度；

14、步骤2.3：利用materials studio软件中的forcite模块中的geometryoptimization功能对构建的模型进行能量最小化优化。

15、进一步的，所述步骤2中模拟过程中设定系统参数温度为40～85℃；

16、步骤3：对优化后的模型进行分子动力学模拟：对优化后的模型进行平衡处理，在298k常温下对模型进行50ps的nvt正则系综弛豫；再进行50ps的npt恒定系综的平衡计算，确保模型密度达到平衡；平衡后选取所模拟温度再进行1000ps的npt系综的平衡计算，得到水合肼分子在发射药中的运动轨迹文件及均方位移msd数据；

17、进一步的，所述步骤3中构建混合体系后所输出帧数在5帧及其以上，以方便结构优化后选取能量最低的一帧进行后续操作。

18、步骤4：绘制msd-t曲线：将模拟所得的运动轨迹文件及均方位移msd数据与时间对应绘制作图，得到msd-t曲线；

19、通过下列公式获得水合肼分子的均方位移msd数据：

20、

21、其中，ri(0)为水合肼分子在0时刻的位置，ri(t)为水合肼分子在t时刻的位置，n表示扩散体系中的所有粒子。

22、将水合肼分子的均方位移msd数据与时间t作图获得msd-t曲线。

23、步骤5：计算获得水合肼分子在发射药中的扩散系数：对msd-t曲线进行线性拟合，求解拟合msd-t曲线的斜率；根据爱因斯坦扩散方程计算水合肼分子在发射药中的扩散系数。

24、根据爱因斯坦法计算扩散系数，爱因斯坦方程如下：

25、

26、其中，d为水合肼分子在硝化棉中的扩散系数，为msd-t曲线的斜率k；

27、对msd-t曲线进行线性拟合得到斜率k；扩散系数d按式3计算得到：

28、

29、与现有技术相比本发明具有以下优点：

30、本发明利用分子动力学模拟技术，从微观的角度来探究问题，在分子水平上定量分析皂化剂水合肼小分子在硝化棉高分子链体系中的扩散性能，通过分析水合肼分子的扩散系数、径向分布函数、自由体积分数来探究其在发射药中的扩散情况，为梯度硝基发射药的可控制备提供理论依据。本发明具有易操作、模拟周期短、成本低的特点。

技术特征：

1.一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于：所述步骤2中具体方法为：

3.根据权利要求2所述一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于，步骤3中构建混合体系后所输出帧数在5帧及其以上。

4.根据权利要求3所述一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于：所述步骤4中具体方法为：

5.根据权利要求4所述一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于：所述步骤5中具体方法为：

6.根据权利要求1所述一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于：所构建的模型中硝化棉的含氮量为0～14.14％，模型中放置指定含氮量的硝化棉分子链2～5条。

7.根据权利要求1所述一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于：所构建的模型中硝化甘油的浓度为0～10％。

8.根据权利要求1所述一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于：所构建的模型中水合肼分子的浓度为5％～30％，体系中固液比为1:2。

9.根据权利要求1所述一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于：模拟过程中设定系统参数温度为313～358k。

10.根据权利要求1所述一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，其特征在于：根据所构建的模型中肼分子和水分子、溶剂水分子的数量根据所设定水合肼分子的浓度、固液比为1:2以及硝化棉分子链确定。

技术总结本发明公开了一种分子动力学模拟水合肼在发射药中扩散过程的方法，属于分子动力学模拟技术领域。针对现有拟合扩散系数的方法耗时长、检测不准确、操作复杂等问题，基于分子动力学理论和模拟计算软件Materials Studio建立水合肼‑发射药扩散体系模型，模拟水合肼分子在发射药中的扩散过程，记录水合肼分子的运动轨迹后，通过均方位移MSD数据计算水合肼分子的扩散系数。具体步骤如下：1)构建初始模型；2)对模型进行优化；3)对优化后的模型进行分子动力学模拟；4)绘制MSD‑t曲线；5)计算获得水合肼在发射药中的扩散系数。本发明从分子水平上分析水合肼在发射药中的扩散性能，为梯度硝基发射药的可控制备提供理论依据。技术研发人员：范红蕾,顾玉乐,王欣雨,彭智华,丁亚军,吴晓青,肖忠良受保护的技术使用者：中北大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4