研究发现爆炸性热点中缺失的物理现象

在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)超级计算机Quartz上进行的研究突显了科学家的发现，这些发现揭示了TATB(1,3,5-trimamino-2,4,6-trinitrobenzene)和其他炸药中热点物理的缺失方面。

热点是由激振引起的微结构孔隙塌陷形成的局部高温区域，已知控制爆炸物的激振起爆特性。热点背后的主要概念是局部高温会加速局部化学反应。

这项研究在3月11日出版的《物理化学快报》上有特色，并且是LLNL和普渡大学之间的合作。作者包括来自LLNL的Matthew Kroonblawd和来自Purdue的Brenden Hamilton，Chunyu Li和Alejandro Strachan。

这项工作强调了热点形成和演化早期阶段被忽视的物理方面，这为系统地改善用于评估性能和安全性的冲击起爆的多物理场模型提供了一条途径。

Strachan说：“早期反应性分子动力学模拟最令人困惑的结果之一是，在塌陷的孔中形成的热点的反应要比散装材料中相同大小，温度和压力的热点反应快得多。” “虽然认识到了这些差异的原因，但仍不清楚。我们的研究解决了这个问题，因为我们发现，塌陷的孔中的爆炸性物质与散装的物质根本不同，并且处于化学反应引发的高能状态。”

了解热点的重要性

TATB是对国家核储存至关重要的不敏感的高爆炸物，并且在连续性规模上进行建模具有挑战性。爆炸物安全性和爆炸性能的工程模型依赖于以热点的形成和增长为中心的物理模型。

Kroonblawd解释说：“用于评估安全性和性能的连续性多物理场模型是高度经验性的，这使得很难创建可转移到不同应用条件的爆炸模型。对于像TATB这样不敏感的高爆炸物，缺少可转移模型尤其如此。仍然不可能从第一性原理建立爆炸性模型，这表明我们对热点物理和化学的理解缺少关键方面。”

这些模型依赖于化学反应性和热传递的精确处理。热点是否会增长并聚结成爆炸波取决于化学反应产生的热量与热传导引起的热损失之间的竞争。

确定热点反应速率差异背后的原因，为建立更通用的爆炸模型提供了一条途径，这将提高其预测准确性和可转移性。尽管这些模型通常将温度作为控制化学的主要变量，但研究结果表明，根据势能重铸这些模型将产生一种更通用的处理方法，该方法可以区分不同材料状态的不同反应性。

通过全原子分子动力学模拟，研究人员发现热点不仅是局部动能(或温度)的区域，而且还是局部势能的区域。势能的量远大于动能的量，并且集中到与化学分解有关的分子模式中。

势能的局部化是由于材料塑性变形区域中的分子水平应变而引起的，这将导致反应的机械化学加速。

汉密尔顿说：“关键要点是，在这些系统中动能和势能之间没有一对一的关系，因此，不能仅从温度场推断出局部反应速率。”

团队进行大规模模拟

由LLNL含能材料中心(EMC)和普渡大学材料工程系的材料科学部工作人员进行的这项工作得到了LLNL实验室指导的研究与开发战略计划计划的支持，EMC主任拉拉·莱宁格(Lara Leininger)是首席研究员。该工作涉及在Livermore计算机Quartz上运行大规模的全原子模拟，并且这些模拟是使用LLNL的Computational Grand Challenge授予的计算时间来执行的。

为了研究热点中动能和势能的长期弛豫特性，研究小组开发了一种称为“震荡陷波内部边界”的新方法。

汉密尔顿说：“通常，冲击模拟的时间受到冲击波到达下游模拟边界的时间的限制，该边界会产生状态改变的反射波。” “在我们的方法中，我们可以隔离热点或任何感兴趣的区域，以防止反射与其相互作用，从而可以持续研究时间演变。”

这使团队可以量化动能和势能的弛豫率，从而确定热点的势能在热传导耗散动能后仍然存在。

分子动力学模拟预测，热点中定位的势能比其动能(或温度)所暗示的要多。过量的势能与持久的应变分子状态相关联，这些分子状态为化学反应作准备，并解释了热点为什么比整体反应更快。

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