[论文解读] Critical velocities for deflagration and detonation triggered by voids in a REBO high explosive
本研究采用带有 REBO 势的反应分子动力学模拟，研究二维高能炸药晶体中圆形孔洞如何降低引发燃烧和爆轰所需的临界冲击速度。结果表明，即使 10 nm 的孔洞也能使最小起爆速度降低 4 倍，而 2.5 nm 的孔洞可使临界爆轰速度降低 10%，且由于燃烧驱动的压力和热量积累产生正反馈，爆轰在 4.0 ± 0.4 km/s 时开始发生。
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.
研究动机与目标
- 理解高能炸药中微观孔洞如何影响冲击敏感性及临界起爆速度。
- 通过分子动力学模拟，确定孔洞尺寸和冲击速度在触发燃烧及后续爆轰过程中的作用。
- 量化孤立孔洞存在下从燃烧到爆轰的转变过程，重点关注能量聚焦与正反馈机制。
- 研究二维体系中爆轰诱导时间对压力的依赖性，并分析其与经验规律的偏差。
- 评估孔洞尺寸对热点形成及爆轰起爆可靠性的影响。
提出的方法
- 采用带有反应性经验价键（REBO）势的分子动力学模拟，对代表高能炸药的二维双原子分子固体中的冲击起爆过程进行建模。
- 通过在不同速度下施加活塞冲击来模拟冲击加载，系统中引入半径为 2.5、5、10、20 和 50 nm 的圆形孔洞。
- 应用周期性边界条件以模拟单个孔洞及其镜像，从而实现对微米尺度距离上冲击传播的研究。
- 通过多次模拟记录爆轰时间，生成 Pop 图并评估爆轰起爆的统计可靠性。
- 追踪温度、压力和反应进度，以识别热点形成及向爆轰的转变。
- 对 Pop 图数据进行幂律拟合，以量化爆轰诱导时间对压力的依赖性。
实验结果
研究问题
- RQ1在二维 REBO 高能炸药晶体中，圆形孔洞的尺寸如何影响引发化学反应所需的最小活塞速度？
- RQ2在存在单个孔洞的情况下，从燃烧到爆轰的临界速度阈值是多少？该阈值如何随孔洞尺寸变化？
- RQ3在该二维模型中，无孔洞与含孔洞体系的爆轰诱导时间对压力的依赖性有何不同？
- RQ4孔洞诱导的热点在多大程度上能可靠地触发自持爆轰？这种可靠性如何依赖于孔洞尺寸和冲击强度？
- RQ5在孔洞坍缩过程中，主导起爆过程的物理机制（如射流撞击、再压缩或振动激发）是什么？
主要发现
- 10 nm 的孔洞使反应起爆的最小速度相比完美晶体降低了 4 倍。
- 2.5 nm 的孔洞使临界爆轰速度相比完美晶体降低了 10%。
- 从燃烧到爆轰的转变发生在冲击速度为 4.0 ± 0.4 km/s 时，其临界速度与孔洞半径的关系可近似为 u_c(r) ≈ (3.8 + 0.34e^(-r/22 Å)) km/s。
- 对于大于 10 nm 的孔洞，活塞速度提高 400 m/s 可使点火概率从 10% 上升至 90%，表明存在明显的突变转变。
- 无孔洞体系的爆轰诱导时间对压力的依赖性幂律指数为 -13.77，含孔洞体系为 -9.95，两者均比三维炸药中的经验值更陡峭。
- 在高压条件下，孔洞对爆轰起爆时间的影响可忽略不计；但在较低压力下，孔洞产生的热点能量成为爆轰发展的主导因素。
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