[논문 리뷰] Critical velocities for deflagration and detonation triggered by voids in a REBO high explosive

Stuart Davis Herring, Timothy C. Germann외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 01.

Energetic Materials and Combustion참고 문헌 2인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 반응성 분자 동역학 시뮬레이션과 REBO 포텐셜을 사용하여 2차원 고폭발물 결정에서 원형 공극이 폭발 유도를 유도하기 위해 필요한 임계 충격 속도를 어떻게 감소시키는지 조사한다. 10 nm의 공극조차도 최소 유도 속도를 4배 감소시키며, 2.5 nm의 공극은 임계 폭발 속도를 10% 감소시키며, 열과 압력의 정성적 피드백에 의해 4.0 ± 0.4 km/s에서 폭발 발생이 일어남을 발견한다.

ABSTRACT

The effects of circular voids on the shock sensitivity of a two-dimensional model high explosive crystal are considered. We simulate a piston impact using molecular dynamics simulations with a Reactive Empirical Bond Order (REBO) model potential for a sub-micron, sub-ns exothermic reaction in a diatomic molecular solid. The probability of initiating chemical reactions is found to rise more suddenly with increasing piston velocity for larger voids that collapse more deterministically. A void with radius as small as 10 nm reduces the minimum initiating velocity by a factor of 4.

연구 동기 및 목표

• 고폭발물 내 미세한 공극이 충격 감도와 임계 유도 속도에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 공극 크기와 충격 속도가 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 타는 불꽃과 그 후 폭발을 유도하는 데 어떻게 기여하는지 규명하기 위해.
• 고립된 공극이 존재할 경우 타는 불꽃에서 폭발으로의 전이를 에너지 집중과 정성적 피드백 메커니즘에 중점을 두고 정량화하기 위해.
• 2차원 시스템에서 폭발 유도 시간의 압력 의존성과 경험 법칙에서의 이탈을 검토하기 위해.
• 공극 크기가 핫스팟 형성과 폭발 유도의 신뢰성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 반응성 경계 주로 포텐셜(REBO)을 사용한 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 고폭발물의 충격 유도를 모델링하였다. 이는 이원자 분자 고체의 2차원 모델을 기반으로 하였다.
• 충격 하중을 시뮬레이션하기 위해 다양한 속도로 피스톤 충격을 적용하였으며, 시스템에 반지름 2.5, 5, 10, 20, 50 nm의 원형 공극을 도입하였다.
• 단일 공극과 그 영향을 고려하기 위해 주기적 경계 조건을 적용하여 마이크론 규모의 거리에서 충격 전파를 연구할 수 있도록 하였다.
• 여러 시뮬레이션을 통해 폭발까지의 시간을 기록하여 Pop 플롯을 작성하고 폭발 유도의 통계적 신뢰성을 평가하였다.
• 핫스팟 형성과 폭발 전이를 식별하기 위해 온도, 압력, 반응 진행도를 추적하였다.
• 폭발 유도 시간의 압력 의존성을 정량화하기 위해 Pop 플롯 데이터에 힘의 법칙 적합을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원형 공극의 크기가 2차원 REBO 고폭발물 결정에서 화학 반응을 유도하기 위해 필요한 최소 피스톤 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 단일 공극이 존재할 경우 타는 불꽃에서 폭발으로의 전이에 대한 임계 속도 임계점은 무엇이며, 공극 크기에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 이 2차원 모델에서 공극이 없는 시스템과 공극이 있는 시스템 간의 폭발 유도 시간의 압력 의존성은 어떻게 다른가?
• RQ4 공극에 의해 유도된 핫스팟이 자가 유지를 하는 폭발을 얼마나 신뢰성 있게 유도하는가? 이는 공극 크기와 충격 강도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 붕괴하는 공극에서 유도되는 주요 물리적 메커니즘(예: 제트 충격, 재압축, 진동 에너지 증가 등)은 무엇이며, 이들이 유도 과정에서 지배적인가?

주요 결과

• 10 nm의 공극은 순수 결정에 비해 반응을 유도하기 위한 최소 유도 속도를 4배 감소시킨다.
• 2.5 nm의 공극은 순수 결정에 비해 임계 폭발 속도를 10% 감소시킨다.
• 타는 불꽃에서 폭발로의 전이가 충격 속도 4.0 ± 0.4 km/s에서 발생하며, 반지름에 따라 변하는 임계 속도는 u_c(r) ≈ (3.8 + 0.34e^(-r/22 Å)) km/s로 근사된다.
• 10 nm 이상의 공극에서는 피스톤 속도가 400 m/s 증가할 경우 ignition 확률이 10%에서 90%로 급격히 증가하여 전이가 뚜렷하게 나타난다.
• 공극이 없는 시스템에서는 폭발 유도 시간의 압력 의존성이 지수 -13.77의 힘의 법칙을 따르며, 공극이 있는 시스템은 -9.95의 지수를 보이며, 둘 다 3차원 고폭발물의 경험 법칙보다 더 급격하다.
• 고압에서는 공극이 폭발의 즉각성에 영향을 주지 않지만, 저압에서는 공극에서 유도된 핫스팟 에너지가 폭발 발전의 주요 요인로 작용한다.