NC/DIANP共混體系的宏微觀力學性能

齊曉飛，閆 寧，嚴啟龍，李宏巖，湯志智，劉佩進

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.西北工業大學燃燒、熱結構與內流場重點實驗室，陜西 西安 710072；3.陸軍裝備部駐沈陽地區軍代局，遼寧 沈陽 110015)

引 言

傳統改性雙基推進劑配方體系中，增塑劑組分為硝化甘油(NG)，導致推進劑感度較高。近年來，隨著人們對武器平臺生存能力的愈加關注，在保證能量水平的基礎上盡量降低推進劑感度，是推進劑技術發展的主要方向之一[1-2]。對于改性雙基推進劑而言，采用鈍感含能增塑劑替代NG，是降低該類推進劑感度的關鍵。鈍感含能增塑劑[3-5]種類眾多，其中1，5-二疊氮-3-硝基氮雜戊烷(DIANP)綜合性能優異，感度低、能量高且熱穩定性好，對雙基類發射藥的低溫力學性能有明顯的改善作用[6-8]，在改性雙基推進劑中展現出良好的應用前景。

齊曉飛等[9-11]用實驗和分子動力學模擬研究了DIANP溶塑NC的速率和效果，計算得到DIANP的溶度參數及其在NC中的擴散系數，以及NC/DIANP共混體系的彈性系數、模量、結合能和徑向分布函數；用介觀動力學模擬和實驗方法研究了NC/DIANP共混體系相結構及其演變過程和影響因素。發現與NG相比，DIANP溶塑NC速率較快且效果更好，能夠顯著降低NC的剛性并增強其塑性，與NC混溶性更好，不同溫度和組成的NC/DIANP共混體系未出現相分離現象，DIANP展現出良好的應用前景。為進一步研究DIANP取代NG后對改性雙基推進劑高低溫力學性能的影響，同時探索其作用機理，本研究采用動態熱機械分析 (DMA)和單向拉伸實驗對比研究了NC/DIANP和NC/NG共混體系的動態和靜態力學性能，并采用分子動力學模擬(MD)在分子水平上揭示力學性能差異的原因，為DIANP在改性雙基推進劑的應用研究提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

NC(含氮量11.87%)，瀘州北方化學工業有限公司；NG、DIANP，西安近代化學研究所。

HKV-II型立式捏合機，德國IKA集團公司；TA DMA2980型儀器動態熱機械分析儀，美國TA 儀器公司；INSTRON 4505材料試驗機，美國Instron公司。

1.2 樣品制備

稱取等質量的NC球形藥、NG和DIANP，預混后加入捏合機，真空捏合0.5h后70℃固化72h，制備等質量比的NC/DIANP和NC/NG共混體系樣品。

1.3 實驗方法

1.3.1 動態力學性能實驗

將NC/DIANP和NC/NG共混體系樣品制成尺寸為4mm×10mm×4mm的試樣，測試其儲能模量(E′)、損耗模量(E″)和損耗角正切(tanδ)隨溫度的變化曲線；夾具選用單懸臂梁；測試頻率為1、2、5、10和20Hz，振幅2μm；溫度范圍-80～120℃，間隔為4℃的步進式加熱。

1.3.2 單向拉伸實驗

將NC/DIANP和NC/NG共混體系樣品制成尺寸為10mm×10mm×120mm的試樣，測試其最大拉伸強度和最大伸長率，實驗方法為GJB 770B-2005中413.1；拉伸速率為100mm/min；溫度分別為-40、20、50 ℃。

1.4 動態和靜態力學性能分析

實驗測得NC/DIANP和NC/NG共混體系的儲能模量(E′)、損耗模量(E″)和損耗角正切(tanδ)隨溫度的變化曲線見圖1。

圖1 NC/DIANP和NC/NG共混體系的DMA曲線Fig.1 DMA curves of NC/DIANP and NC/NG blends

由圖1可知，-50℃以下時，NC/DIANP和NC/NG共混體系E′在1300MPa以上，表現出剛硬的玻璃態。升溫至-50℃以上時，兩種共混體系的E′逐漸減小，且E″和tanδ曲線出現了一個低溫力學損耗峰(β松弛)，這與NC分子鏈運動空間增加、其鏈段運動突然增強有關[12]。升溫至30℃以上時， 兩種共混體系E′繼續減小，E″和tanδ曲線出現一個高溫力學損耗峰(α松弛)，這與NC分子鏈的熱運動能量增加、其鏈段內旋轉自由度突然增加有關[12]。升溫至70℃以上時，兩種共混體系的E′值接近于0，宏觀上呈現出黏流態。

由于E′和E″與樣品尺寸和夾具力大小有關，而不同樣品的尺寸和夾具力大小很難保持一致，因此，一般不用E′和E″進行樣品間的比較，而采用其相對值tanδ(即E″和E′的比值)進行比較[13-14]。由圖1可知，與NC/NG共混體系相比，NC/DIANP共混體系β松弛峰溫下降(分別為-23.7℃和-25.0℃)，力學損耗強度略有增大(分別為0.126和0.127)；同時，與NC/NG共混體系相比，NC/DIANP共混體系α松弛峰溫大幅下降(分別為75.6℃和53.5℃)，力學損耗強度大幅增大(分別為0.567和0.778)，表明DIANP取代NG后，可使共混體系中NC分子鏈運動空間增加，其鏈段運動能力增強，且高溫下的影響效果更為顯著。

在-40、20、50 ℃條件下，NC/DIANP和NC/NG共混體系的最大拉伸強度(σm)和最大伸長率(εm)見表1。

表1 NC/DIANP和NC/NG共混體系在不同溫度下的最大拉伸強度和最大伸長率Table 1 Maximum tensile strength and elongation rate of NC/DIANP and NC/NG blends at different temperatures

由表1可看出，隨著溫度的升高，兩種共混體系的最大拉伸強度(σm)減小，最大伸長率(εm)增大，且低溫與高溫數據間差距較大。這表明共混體系低溫時呈現玻璃態，NC分子鏈鏈段運動能力弱，外力作用下共混體系不易形變，因而σm大而εm小；溫度升高后，NC分子鏈鏈段運動能力增強，外力作用下共混體系易于形變，因而σm小而εm大。比較同樣溫度條件下的數據可知，用DIANP取代NG后，共混體系的σm減小而εm增大，且高溫下數值的差距更為顯著，表明DIANP取代NG后，對共混體系中NC分子鏈鏈段運動有促進作用，且高溫下的促進效果更為明顯，這與DMA實驗結果相吻合。

從上述實驗結果看，兩種共混體系的力學性能與NC分子鏈的運動能力直接相關。因此，為從分子水平上揭示溫度變化，以及DIANP取代NG后對共混體系中NC分子鏈運動狀態的影響，本實驗通過分子動力學模擬對NC/DIANP和NC/NG共混體系開展研究。

2 分子動力學模擬

2.1 模型及方法

首先運用Materials Studio軟件的Visualizer 模塊，依據圖2中化學結構式建立NC、DIANP和NG分子模型，然后運用Amorphous cell 模塊構建等質量比的NC/DIANP和NC/NG共混體系模型(見圖2)，其中NC分子鏈、DIANP和NG分子的數目分別為2條(NC-A和NC-B，每條分子鏈由20個聚合單元組成)、102個和90個。

圖2 NC、DIANP、NG及其共混體系模型Fig.2 Models of NC, DIANP, NG and their blends

在-40、20、50℃，1.01×105Pa條件下，分別對NC/DIANP和NC/NG共混體系模型進行分子動力學模擬，對其分子動力學軌跡進行分析，得到自由體積和徑向分布函數等數據。分子動力學模擬的參數設定參見文獻[15]。

2.2 模擬結果分析

2.2.1 自由體積

-40、20和50℃條件下，NC/DIANP和NC/NG共混體系的體積分布見圖3(a)，圖3(a)中白色部分為共混體系中DIANP、NG和NC分子的占有體積(Voccupied)，灰色部分為分子之間的間隙，即自由體積(Vfree)，藍色為自由體積在模型邊界的截面。DIANP和NG分子的體積計算結果見圖3(b)。

由圖3(a)可知，對于同種共混體系，隨著溫度的升高，共混體系的Vfree增加，因而NC分子鏈運動空間增大，當共混體系受到外力作用時，容納NC分子鏈鏈段運動的空間增大，其鏈段運動能力增強，共混體系更易形變，且形變量增加。這可能是圖1隨著溫度升高，共混體系E″和tanδ曲線出現α和β松弛、E′曲線下降、σm減小和εm增大的原因之一。

由圖3(b)可知，DIANP和NG的分子體積分別為0.18nm3和0.17nm3，前者相對較大。因此，在同樣溫度條件下，DIANP取代NG后一方面使共混體系的Voccupied增加，另一方面使共混體系分子間的間隙增大，即Vfree增加，導致NC分子鏈運動空間增大，有利于NC分子鏈鏈段運動，這可能是DIANP取代NG后，共混體系σm減小和εm增大的微觀原因。此外，相對于NC/NG共混體系，溫度升高后NC/DIANP共混體系Vfree的增幅更為明顯，這也從微觀角度揭示了DIANP取代NG后，共混體系高溫下的動態和靜態力學性能變化更為顯著的原因。

圖3 不同溫度下NC/DIANP和NC/NG共混體系的體積分布Fig.3 Volume distribution of NC/DIANP and NC/NG blends at different temperatures

2.2.2 徑向分布函數

除自由體積因素外，共混體系內部的分子間作用力會影響NC分子鏈鏈段運動能力、進而影響共混體系動態和靜態力學性能[12]。對于共混體系的分子間作用力情況，可根據體系內各原子對的徑向分布函數g(r)的計算結果進行分析[16-18]，主要是根據g(r)曲線峰的位置和高低判斷原子間的作用力類型和強弱。

由于共混體系內部能夠產生分子間作用力的主要為氧原子和氮原子，因此根據力場類型對NC、DIANP和NG分子中的氧原子和氮原子進行分類(見圖4)，并對它們在20℃條件下的g(r)進行計算，NC與DIANP分子間的OC1—OD原子對和NC與NG分子間的OC3—OG1原子對的g(r)曲線如圖4所示。

由圖4可知，OC1—OD原子對在0.26nm附近出現峰，g(r)值為1.12；而OC3—OG1原子對在0.32nm附近出現峰，g(r)值為1.14。由于氫鍵作用力的作用范圍為0.26～0.31nm，而范德華力的作用范圍為0.31～0.50nm[19]，因此，根據峰的位置可判斷OC1—OD原子對形成了O―H…O形式的氫鍵，即NC與DIANP分子間存在氫鍵作用力；而OC3—OG1原子對形成了O…O形式的范德華力，即NC與NG分子間存在范德華作用力。為全面分析NC與DIANP、NG分子間作用力情況，對所有能夠形成氫鍵或范德華力作用原子對的g(r)曲線峰位置和強度進行了統計，結果如圖5所示。圖5中，橫坐標為原子對g(r)曲線峰位置，縱坐標為強度。

由圖5可知，OC1—OG1原子對在0.26nm附近出現峰，g(r)值為1.22，這表明NC與NG分子間也存在氫鍵作用力。與OC1—OD原子對相比，OC1—OG1原子對氫鍵作用力峰的g(r)值更大，可見對于增塑劑與NC分子間的氫鍵作用力而言，NC/NG共混體系強于NC/DIANP共混體系。對于NC和增塑劑分子之間的范德華力而言，NC/NG共混體系中的OC1—NG和NC—NG原子對的g(r)值(分別為1.45和1.41)，不僅大于其他3個原子對(OC3—OG1、NC—OG1和OC3—NG)，也大于NC/DIANP共混體系中所有的10個原子對。此外，OC3—OG1、NC—OG1和OC3—NG原子對的g(r)值也大于NC/DIANP共混體系中的多個原子對。因此，整體而言，NC/DIANP共混體系內部的分子間作用力，包括氫鍵作用力和范德華力，均小于NC/NG共混體系，即DIANP取代NG后，與NC分子間作用力減弱，對NC分子鏈鏈段運動的阻礙作用降低。這可能是DIANP取代NG后，共混體系高溫下動態和靜態力學性能顯著變化的原因之一。

圖4 OC1—OD和OC3—OG1原子對徑向分布函數Fig.4 Radial distribution functions for OC1—OD and OC3—OG1 atom pair in blends

圖5 各原子對徑向分布函數曲線峰的位置和強度Fig.5 Peak and position of radial distribution functions curves for atom pair in blends

3 結 論

(1)隨著體系溫度由-50℃升至80℃，NC/NG和NC/DIANP共混體系的E″和tanδ曲線出現兩個力學損耗過程，即α松弛和β松弛，同時E′曲線下降、σm減小、εm增大；與NC/NG共混體系相比，NC/DIANP共混體系α松弛和β松弛峰溫下降，力學損耗強度增大，σm減小而εm增大，且高溫下的變化效果更為顯著。

(2)隨著體系溫度由-40℃升至20℃，再升至50℃，NC/NG和NC/DIANP共混體系的Vfree增加，NC分子鏈運動空間增加；DIANP取代NG后，一方面由于DIANP分子體積相對較大，增加了共混體系的Vfree，使得容納NC分子鏈鏈段運動空間增大，另一方面由于DIANP與NC分子間氫鍵作用力和范德華力相對較小，對NC分子鏈鏈段運動的阻礙作用降低。