Abstrakt:
Pentaerytritoltetranitrat (PETN) är ett allmänt använt sekundärt sprängämne med utmärkta detonationsegenskaper. Men under vissa förhållanden kan PETN uppvisa avvikande beteende, inklusive misslyckande att detonera eller fördröjd detonation, vilket utgör betydande säkerhetsproblem och hindrar dess tillförlitliga tillämpning. För att ta itu med dessa problem genomförde vi en omfattande serie atomistiska simuleringar för att undersöka de grundläggande mekanismerna bakom misslyckandet med PETN-detonation. Våra simuleringar avslöjar att närvaron av defekter, såsom tomrum och dislokationer, avsevärt kan förändra detonationsbeteendet hos PETN genom att modifiera den lokala spänningsfördelningen och främja bildandet av hot spots. Dessa resultat ger kritiska insikter om felmekanismerna hos PETN och ger vägledning för att förbättra dess säkerhet och prestanda i praktiska tillämpningar.
Introduktion:
PETN är ett kraftfullt sekundärt sprängämne som vanligtvis används i militära, gruv- och industriella tillämpningar på grund av dess höga detonationshastighet, låga känslighet och miljövänlighet. Trots sin utbredda användning är PETN inte utan sina nackdelar. Under vissa förhållanden, till exempel när det utsätts för svag initiering eller icke-ideal instängning, kan PETN misslyckas med att detonera eller uppleva fördröjd detonation. Dessa anomalier utgör betydande säkerhetsrisker och begränsar tillförlitlig tillämpning av PETN i kritiska scenarier.
Metodik:
För att belysa mekanismerna bakom PETNs detonationsmisslyckanden använde vi toppmoderna atomistiska simuleringstekniker, speciellt simuleringar av molekylär dynamik (MD) i kombination med reaktiva kraftfält. Dessa simuleringar gjorde det möjligt för oss att undersöka det mikroskopiska beteendet hos PETN under olika förhållanden, inklusive närvaron av defekter och variationer i temperatur och tryck.
Resultat och diskussion:
Defektinducerat misslyckande:Våra simuleringar visade att förekomsten av defekter, såsom tomrum och dislokationer, kan ha en djupgående inverkan på detonationsbeteendet hos PETN. Dessa defekter fungerar som spänningskoncentratorer, vilket lokalt förstorar den mekaniska belastningen och främjar bildandet av heta fläckar, som är avgörande för att utlösa detonation. När tätheten av defekter ökar, ökar också benägenheten för detonationsfel, vilket leder till en högre sannolikhet för icke-ideala explosioner eller till och med fullständigt misslyckande att detonera.
Påverkan av temperatur och tryck:Effekten av temperatur och tryck på PETN:s detonationsbeteende undersöktes också. Högre temperaturer och tryck gynnar i allmänhet mer effektiv detonation genom att minska aktiveringsenergin som krävs för kemiska reaktioner och förbättra spridningen av detonationsvågen. Däremot kan förekomsten av defekter motverka dessa effekter, även vid förhöjda temperaturer och tryck. Detta belyser den överordnade rollen av defekter när det gäller att styra den övergripande detonationsprestandan hos PETN.
Konsekvenser och slutsats:
Vår studie ger en omfattande förståelse av felmekanismerna för PETN-detonation på atomnivå. Närvaron av defekter, såsom tomrum och dislokationer, framstår som en kritisk faktor som kan hindra initieringen och fortplantningen av detonation. Denna förståelse kan vägleda utvecklingen av strategier för att mildra dessa defekter, och därigenom förbättra säkerheten och tillförlitligheten för PETN i praktiska tillämpningar. Dessutom kan insikterna från detta arbete utvidgas till andra energiska material, vilket hjälper till vid design och optimering av framtida sprängämnen och drivmedel.
