聚四氟乙烯包覆铝粉烧结的模拟与分析.pdf

1 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 4 卷第2 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 0 5 聚四氟乙烯包覆铝粉烧结的模拟与分析来 陶俊王晓峰王彩玲韩仲熙 黄亚峰刁小强 西安近代化学研究所 西安，7 1 0 0 6 5 [ 摘要]为了分析烧结过程对聚四氟乙烯 胛F E 包覆A l 粉性能的影响，利用分子动力学手段计算了2 9 8K 和 6 7 8K 时P T F E 在A 1 0 。 0 0 1 、 0 1 0 及 1 0 0 晶面6 6 晶层的结合能，利用耗散粒子动力学手段模拟了2 9 8K 和 6 7 8K 时A 1 O ，／P r r F E 在不同时刻的介观状态。计算及模拟结果表明2 9 8K 时，P r r F E 在A 1 ，O ， 0 0 1 、 0 1 0 及 1 0 0 晶面的6 6 晶层的结合能分别为27 8 2 ．6 7 、55 8 2 ．9 7 及46 3 4 ．3 2k J ／t o o l ；6 7 8K 时P T F E 与A 1 ，O ， 0 0 1 、 0 1 0 及 1 0 0 晶面的结合能分别是28 3 5 ．2 9 、55 3 7 ．5 4 及46 0 8 ．4 9k J ／t o o l 。低温时．P r I F E 和A 1 。0 ，混溶性差．两 种物质发生明显分相；高温时，P T F E 和A 1 0 ，混溶性较好，没有发生明显的分相。烧结过程有助于P T F E 在A 1 ，O ， 中的扩散，同时还可以提高聚合物与A 1 ，O ，的混溶性，但对P T F E 包覆A l 粉的强度影响不大。 [ 关键词]分子动力学；耗散粒子动力学；聚四氟乙烯；结合能；混溶性 『分类号] T D 2 3 5 ．2 1 0 6 4 1 引言 在准静态或静态载荷下，大多数含能性反应材 料 如燃料和氧化剂等 都足够钝感，爆炸桥丝或火 焰等传统的引发技术，都不足够维持其反应[ 1 引。氟 聚物反应材料是目前研究较多的含能性反应材料， A 1 粉／聚四氟乙烯 P 1 ’F E 复合物具有良好的热效 应，二者发生反应并生成凝聚态产物，在反应计量比 为2 6 ．5 ％A 1 时．放热约86 6 5k J ／k g ，高于许多含铝 炸药[ 34 I 。该材料可应用于许多领域[ 5 引可发展成 一种新的高效毁伤单元，从而大幅度增加防空和反 轻型装甲能力可作为火箭的推进系统或太空卫星 的微推进系统在石油工业方面，还可以用于射孔弹 以增加石油开采效率。 部分文献提及P T F E ／A 1 粉的烧结工艺[ 8 引，但 是烧结对P T F E 包覆A l 粉效果以及性能的影响尚 未见报道。目前，炸药配方的设计及确定还主要依 赖于实验，主要有以下缺点实验周期长、实验费用 高、难以预测配方性能、存在安全问题等。运用分子 动力学 M D 模拟炸药及其组分的结构和性能有助 于指导其配方设计[ 1 0 - 1 3 ] 。 针对P T F E 包覆A l 粉的烧结工艺。本文对不同 温度下的P T F E ／A 1 ，O ，复合体系在C o m p a s s 力场下 进行M D 模拟，并利用耗散粒子动力学 D P D 对不 同温度下P T F E 与A 1 ，0 ，的混溶性进行了模拟，对 其性能进行分析和比较，为P T F E 包覆A l 粉的烧结 过程提供了理论指导和设计思路。 1 计算方法 1 ．1M D 模拟 1 ．1 ．1 A 1 ，0 ，超晶胞的构建 A 1 ，0 ，为斜方六面体结构．晶胞属于R 一3 c 空间 群，晶胞参数为a 0 ．4 7 6n m ，b 5 ．1 2 8n m 。 为研究含氟聚合物对A 1 ，O ，界面吸附的影响， 采取M s 软件切割分面方法，选取A 1 ，O 。 0 0 1 晶面 方向进行切割。再采用D i s c o v e r 模块中s m a r tm i n i m i z e r 对表面进行50 0 0 步能量优化。A 1 ，0 ，为离子 型晶体，分配力场后删除A l 一0 键。建立超晶胞 6 6 体系，不添加真空层【14 | 。 1 ．1 ．2 含氟聚合物在A 1 0 ， 0 0 1 6X6 晶层吸附 模型的构建 先建立P | I ’F E 聚合度为5 0 分子结构，对结构 进行能量优化，然后用A m o r p h o u s 模块构建具有周 期性边界条件的含氟聚合物的无定形模型。界面模 型通过分层建模共聚实现，而后在N V T 系综进行动 力学模拟。分别构建3 种含氟聚合物在A 1 ，0 ， 0 0 1 6 6 晶层吸附模型。温度设为2 9 8K ，选择 A n d e r s e n 控温方法．步长1f s ，模拟步数为2 0 万步， 前1 0 万步用于平衡，后1 0 万步用于统计分析．每 5 0 步保存一次轨迹文件，用于分析结合能，得到其 米收稿日期2 0 1 4 4 8 9 2 4 基金项目国防科工委基础产品创新计划火炸药科研专项 作者简介陶俊 1 9 8 7 ～ ，男，硕士，主要从事混合炸药研究。E - m a i l t a o j u n 4 7 1 2 2 3 0 1 2 6 ．c o n 万方数据 2 0 1 5 年4 月聚四氟乙烯包覆铝粉烧结的模拟与分析陶俊，等 1 9 平衡构型。体系的平衡可由温度和能量的同时平衡 来确定，当温度和能量在5 ％～1 0 ％范围内波动，即 可认为体系已达到平衡。 1 ．1 ．3M D 模拟 模拟过程中，温度控制采取N o s e ／H o o v e r 算法， 压力控制采取A n d e r s e n 算法，静电及范德华力的计 算采取E w a r d 长程加和方法。非键截断为0 ．9 5 n m ，模拟步长为1 ．0f s ，温度为2 9 8K ，选取C o m p a s s 分子力场。 1 ．2D P D 模拟 1 ．2 ．1D P D 模型参数及模型构建 在本文的D P D 模拟中，A 1 ，O ，和盯F E 分子均 采用粗粒化模型，将数个A 1 ，O ，分子粗化成红色珠 子．用Y 表示盯F E 的5 个结构单元粗化成绿色珠 子，用P 表示。A 1 ，O ，和门F E 的数目比为1 8 5 。 A 1 ，O ，／胛F E 相互作用体系中珠子Y 和P 之间 的相互作用参数的获取是建立D P D 的关键。通过 F l o r y ．H u g g i n s 相混理论获取相互排斥力参数a 。 1 ．2 ．2 珠子间相互作用参数 珠子Y 和P 之间的相互作用参数a 。可以根据 珠子之间的平均混合能，即F l o r y ．H u g g i n s 相混理论 求得。设定模拟体系的密度为P 3 ，同类珠子之间 的相互作用参数为a i 2 5K 。T 。不同珠子之间的 相互作用参数a q 可以用式口i i a i 3 ．2 7 x i i 计算，并 求得温度T 2 9 8K 及T 6 7 8K 时珠子Y 和P 之间 的相互作用参数。 2 结果与讨论 2 ．1 烧结对P T F E 与A l 粉结合能的影响 A l 粉／胛F E 复合体系的烧结过程是首先将物 料以一定升温速率加热到6 7 8K 左右．恒温一段时 间，最后降温至常温。因此，可通过研究在烧结前的 温度 2 9 8K 以及烧结过程中的恒温温度 6 7 8K 条件下A l 粉／P T F E 混合体系的性能。了解烧结前后 P T F E 包覆A l 粉性能的变化。 另外，A l 粉表面有一层致密的氧化物 A 1 ，0 ， 薄膜，明F E 不能透过A 1 ，0 ，薄膜与A l 粉发生相互 作用。因此，阳F E 与A l 粉的相互作用实际上是与 A 1 粉表面的A 1 ，0 ，的作用。文中模拟了温度为2 9 8 K 及6 7 8K 时P T F E ／A 1 ，0 ，复合体系的性能。 2 ．1 ．1 低温时P T F E 与A 1 ，O ，的结合能 图1 列出了P r F E 在A 1 ，O ， 0 0 1 、 0 1 0 及 1 0 0 晶面吸附的平衡结构。从图1 可以看出，相 对于A 1 ，0 ， 0 0 1 晶面，P T F E 能更为紧密地贴合在 0 1 0 和 1 0 0 晶面上，w F E 的加入使得A 1 ，0 ， 0 1 0 及 1 0 0 晶面接触层的A l 原子排列发生了明 显的改变，部分P T F E 结构单元能与A 1 0 ，晶体中 的氧原子直接接触。 ■屠嗣同●同i _ 铽0 越谓黼澈。避 a { b { c } a 0 0 1 晶面； b 0 1 0 晶面； c 1 0 0 晶面 图1 2 9 8K 时P T F E 在A 1 ，O ， 不同晶面6 6 晶层上的平衡结构 F i g ．1 B a l a n c es t r u c t u r eo f 肼F Eo nt h e6 6 c r y s t a ll a y e ro fd i f f e r e n tA 1 20 3c r y s t a lp l a n e sa t2 9 8 K 结合能是表征共混体系组分问相互作用力强度 的特征参数，对共混体系的力学性能有着重要影响。 含氟聚合物在A 1 ，O ， 0 l1 晶面的结合能可表示为 E b 一E i 一[ E 。一 E 。 E 。 ] 。 1 式中E 。为聚合物与A 1 O ，晶面的结合能，E 。越大 表明聚合物与晶面的相互作用能越强；E ．为所得平 衡结构求得的单点能；E ，为去掉高分子链计算 A 1 ，O ，的单点能；E 。为去掉A 1 O ，分子计算高聚物 的单点能。 从表1 可以看出，2 9 8K 时，胛F E 与A 1 ，0 ， 0 0 1 、 0 1 0 及 1 0 0 晶面的结合能分别是 27 8 2 ．6 7 、55 8 2 ．9 7 及46 3 4 ．3 2k J ／m o l 。F r F E 与 A 1 ，O ，不同晶面的结合能均为正值，门F E 能稳定地 吸附在A 1 ，0 ，不同晶面，吸附不可逆。P T F E 与 A 1 ，0 ， 0 1 0 和 1 0 0 晶面的结合能要显著大于与 A 1 ，O ， 0 0 1 晶面的结合能，A 1 O ，存在着较为明显 的各向异性，P r I ’F E 对A 1 ，0 ， 0 1 0 晶面的包覆强度 最大。静电相互作用对A 1 ，0 ， 0 0 1 ／明F E 、A 1 0 ， 0 1 0 ／P ．1 1 F E 及A 1 ，O ， 1 0 0 ／F F F E 结合能的贡献分 别为8 0 ．9 8 ％、8 8 ．2 7 ％和8 7 ．1 0 ％，胛F E 与A 1 ，O ，不 同晶面的相互作用以静电相互作用为主，还有少量 的范德华力等其他相互作用力。 2 ．1 ．2 高温时P I ’F E 与A 1 O ，的结合能 图2 为P 1 1 F E 在A 1 ，O ， 0 0 1 、 0 1 0 及 1 0 0 晶 面吸附的平衡结构。与2 9 8K 时相似，与A 1 ，O ， 0 0 1 晶面相比，P I ’F E 能更为紧密地贴合在 0 1 0 和 1 0 0 晶面上，P r r F E 的加入使A 1 ，0 ， 0 1 0 及 1 0 0 晶面接触层的A l 原子排列发生明显改变，部 分P T F E 结构单元能与A 1 ，O ，晶体中的氧原子直接 接触。与2 9 8K 不同的是，6 7 8K 时A 1 ，O ， 0 1 0 和 1 0 0 晶面表面的A l 原子排列的改变更为明显，温 度的升高使A 1 ，O ，晶体表面A 1 原子运动加剧。 表2 为6 7 8K 时门F E 与A 1 ，0 ，不同晶面6 6 万方数据 2 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第2 期 表12 9 8K 时P T F E 与A 1 2 0 3 不同晶面6 6 晶层的结合能 T a b ．1 B i n d i n ge n e r g yo fP r l l F Eo nt h e6 6c r y s t a ll a y e ro fd i f f e r e n tA 1 2 0 3c r y s t a lp l a n e sa t2 9 8K 注E 为每个构型的单点能；E 。。。为每个结构中由范德华力作用贡献的能量；E 。，为每个结构中由静电相互作用贡献的能 量；C 为范德华力作用或静电相互作用对瓯的贡献。 表26 7 8K 时P T F E 与A 1 2 0 3 不同晶面6 6 晶层的结合能 T a b ．2 B i n d i n ge n e r g yo fP r l l F Eo nt h e6 6c r y s t a ll a y e ro fd i f f e r e n tA 1 20 3c r y s t a lp l a n e sa t6 7 8 K 注各参数代表的物理量同表1 。 孵羼黟 矿 雠t 。醯 a b cJ a 0 0 1 晶面； b 0 1 0 晶面； c 1 0 0 晶面 图26 7 8K 时P T F E 在A 1 2 0 3 不同 晶面6 6 晶层上的平衡结构 F i g ．2 B a l a n c es t r u c t u r eo f 门F Eo nt h e6 6 c r y s t a ll a y e ro fd i f f e r e n tA 1 20 3c r y s t a lp l a n e sa t6 7 8 K 晶层的结合能。从表2 中可以看出，P r F E 与A I O ， 0 0 1 、 0 1 0 及 1 0 0 晶面的结合能分别是 28 3 5 ．2 9 、55 3 7 ．5 4 及46 0 8 ．4 9k J ／m o l ，P T F E 与 A 1 ，O ，不同晶面的结合能均为正值，P 1 、F E 能稳定地 吸附在A 1 ，O ，不同晶面，吸附不可逆。与2 9 8K 时 相比，6 7 8K 时P r I 、F E 与A 1 ，O ， 0 0 1 晶面的结合能稍 有增大，P 1 ’F E 与A 1 0 ， 0 1 0 、 1 0 0 晶面的结合能 略有减小。由于增大、减小幅度都很小，说明温度对 P T F E 与A 1 ，O ，不同晶面的结合能影响不大。 2 ．2 烧结对P T F E 包覆A l 粉均匀性的影响 图3 为通过D P D 模拟得到的2 9 8K 时P T F E 与 A 1 ，O ，不同步数的介观结构。从图3 可以看出，模型 建立的初始状态胛F E 和A 1 ，O ，分散均匀，随着时间 的推移，由于体系组分问的微相互作用，明F E 珠子 瓣 a 初始状态 赣瓣． b 40 0 0 步 毋毒醢蠡一 ‘ C 80 0 0 步 ∥1 1 一一 碉嗡碉酴‰ d 1 20 0 0 步 e 1 60 0 0 步 f 2 00 0 0 步 图32 9 8K 时A I 二0 3 ／t 7 F F E 不同时刻的介观结构 F i g ．3 M e s o s c o p i cs t a t eo fA 1 20 3 ／P r F E a td i f l e r e n tt i m e sa t2 9 8K 万方数据 2 0 1 5 年4 月 聚四氟乙烯包覆铝粉烧结的模拟与分析陶俊，等 2 1 ． 开始聚集80 0 0 步时P r I ’F E 相和A 1 ，O ，相开始出现 相分离；1 20 0 0 步时，A 1 ，O ，／P T F E 共混体系达到平 衡，盯F E 相和A 1 ，O ，相出现了非常明显的相分离； 随着模拟步数的增加，A 1 ，O ，／盯F E 共混体系的介观 结构不发生改变。 图4 为通过D P D 模拟得到的6 7 8K 时P T F E 与 A 1 ，O 、不同步数的介观结构。从图4 可以看出，模型 建立的初始状态P I F E 和A 1 ，O ，分散均匀，随着时间 的推移，部分P r r F E 珠子小范围内开始聚集；随着时 间的推移，A 1 ，O ，／门F E 的介观结构变化不明显。与 2 9 8K 时类似，1 20 0 0 步时，A 1 ，O ，／w F E 共混体系基 本达到平衡，随着模拟步数的增加，A 1 ，O ，／阳F E 共 混体系的介观结构不发生改变。 嘲 砌 ■ d 1 20 0 0 步 c 1 60 0 0 步 f 2 00 0 0 步 图46 7 8K 时A 1 2 0 3 ／P T F E 不同时刻的介观结构 F i g ．4M e s o s c o p i es t a t eo fA 1 20 3 ／P 1 1 F E a td i f f e r e n tt i m e sa t6 7 8K 对比图3 和图4 可以发现，与2 9 8K 时相比． 6 7 8K 时A 1 ，O ，／门F E 混合体系分散更加均匀，不存 在明显的相分离现象。这说明，烧结过程有助于 胛F E 在A 1 ，O ，中的扩散，同时还可以提高聚合物与 A 1 ，O ，的混溶性。 2 ．3 烧结对P T F E 包覆A l 粉强度的影响 从2 ．2 节中的D P D 模拟结果可以看出，烧结 前，P T F E 包覆A l 粉均匀性不好，烧结过程可以明显 改善P T F E 包覆A l 粉的均匀性。 因此。可以推测P T F E 包覆A l 粉的整个烧结过 程可分为3 个阶段 图5 I 是烧结前，P r I ’F E 包覆A 1 粉均匀性不好，P T F E 团块吸附在A l 粉表面，A l 粉的一大部分表面没有得 到包覆 Ⅱ是烧结过程中，一方面，温度的升高改善了 P r I ’F E 与A 1 ，O ，的混溶性，另一方面，温度6 7 8K 高 于w F E 熔点，W F E 熔融流动，可以较好地包覆在A 1 粉表面 P T F E 众堕O 旦◎ 镛 A 1 2 0 3 I ⅡⅢ 图5P T F E 包覆A 1 粉烧结过程示意图 F i g ．5 S i n t e r e dp r o c e s so fA Ip o w d e rc o a t e db y 胛F E Ⅲ是从高温冷却到常温的过程，温度低于P T F E 熔点时，P r l l F E 从流动态转变为固态，形成了外层为 w F E 、内层为A l 粉的核壳结构。 烧结前P T F E 包覆A l 粉的强度可以用P 1 ’F E 与 A 1 ，O ，晶体之间的结合能来衡量；烧结后，要破坏 P r l l F E 包覆A l 粉结构，需先破坏胛F E 包覆壳层， 胛F E 包覆A 1 粉的强度要通过胛F E 与A 1 ，O ，晶体之 间的结合能以及P T F E 分子间相互作用能两个方面 衡量。 若要了鳃烧结对明F E 包覆A l 粉强度的影响， 需将烧结后门F E 和A 1 ，O ，晶体之间的结合能以及 肌F E 分子间相互作用能与烧结前门F E 与A 1 ，O ，晶 体之间的结合能来对比，只要其中一个能量大于 盯F E 与A 1 ，O ，晶体之间的结合能，烧结都能增加包 覆强度。在2 ．1 节中已经发现，温度的改变对P r r F E 与A 1 ，O ，晶体之间的结合能影响不大，现在只需要 比较烧结后P T F E 分子间相互作用能与烧结前P T F E 与A 1 ，O ，晶体之间的结合能，即可得出烧结对包覆 强度影响的结果。 表3 是通过M D 模拟得到的P T F E 分子间的相 互作用能．2 9 8K 和6 7 8K 时P T F E 分子间的相互作 用能分别为1 8 0 ．4 9k J ／m o l 和7 2 ．3 6k J ／m o l 。相互作 用能均为正值。但是，与A 1 ，O ，／门F E 的结合能相 比，w F E 分子间相互作用能小1 ～2 个数量级。 表3P T F E 分子间的相互作用能 T a b ．1I n t e r a c t i o ne n e r g yb e t w e e nP r F Em o l e c u l e s k J m 0 1 “ 注E 。代表A 构型胛F E 的单点能，E 。代表B 构型P r r F E 的单点能。 从以上分析结果可以看出，温度对A 1 0 ，／门F E 结合能影响不大，且町F E 分子间的相互作用能比 A 1 O ，／P r r F E 结合能小1 ～2 个数量级。因此，可以 判定烧结对P r F E 包覆A l 粉的强度影响不大。 即 一I _ 万方数据 2 2 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第2 期 3 验证 文献『2 ] 中制备了P T F E ／A 1 反应材料，并利用 S E M 手段表征了该反应材料，研究发现 首先，烧结前后A l 粉表面均能被P r I F E 包覆，这 说明烧结前后A l 粉和P T F E 结合能为正值，门F E 能 有效包覆在A 1 粉表面．本文的模拟结果与其相符； 其次，烧结前材料中的阳F E 聚集成片状，边缘 呈絮状，分子排列紧密，而在烧结后，P r I ’F E 分子的结 构是由无数根细丝状晶体连接而成的多孔网状结 构，这说明烧结前门F E 倾向于凝聚成一相，发生相 分离，而烧结后m E 与A 1 粉混溶性好，能分散在 A l 粉中，验证了模拟结果与实验结果的一致性。 4 结论 1 阻F E 与A 1 O ， 0 0 1 、 0 1 0 及 1 0 0 晶面的 结合能均为正值，P T F E 能稳定地吸附在A 1 。O ，的不 同晶面，P T F E 与A 1 ，O ，不同晶面的相互作用以静电 相互作用为主，还有少量的范德华力等其他相互作 用力；温度对P T F E 与A 1 ，O ，不同晶面的结合能影响 不大。 2 与2 9 8K 时相比，6 7 8K 时A 1 ，O ，／P T F E 混合 体系分散更加均匀，不存在明显的相分离现象。烧 结过程有助于P r I ’F E 在A 1 ，O ，中的扩散，同时还可以 提高聚合物与A 1 ，O ，的混溶性。 3 温度对A 1 ，O ，／胛F E 结合能的影响不大，并 且P r l l F E 分子间的相互作用能比A 1 ，O ，／P T F E 结合能 小1 ～2 个数量级．烧结对P T F E 包覆A l 粉的强度影 响不大。 参考文献 [ 1 ] R o s eMT ，D o l lDW ，H o d g s o nJR ，e tH ．R e a c t i v em a t e ‘ r i a le n h a n c e dp r o j e c t i l e sa n dr e l a t e dm e t h o d s U S ，2 0 0 6 ／ 0 0 1 1 0 8 6A 1 [ P ] ．2 0 0 6 - 0 1 ．1 9 ． [ 2 ]阳世清，徐松林，张彤．P T F E ／A 1 反应材料制备工艺及 性能[ J ] ．国防科技大学学报，2 0 0 8 ，3 0 6 3 9 - 4 2 ，6 2 ． Y a n gS h i q i n g ，X uS o n g l i n ，Z h a n gT o n g ．P r e p a r a t i o na n d p e r f o r m a n c eo fF r E F ／A 1r e a c L i v em a t e r i a l s [ J ] ．J o u r n a lo f N a t i o n a lU n i v e r s i t yo fD e f e n s eT e c h n o l o 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