HMX晶体加工及力学性能模拟

沈 忱，王建华，梁金刚，刘玉存，柴 涛



HMX晶体加工及力学性能模拟

沈 忱1，王建华1，梁金刚2，刘玉存1，柴 涛1

（1.中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051；2.山东圣世达化工有限责任公司，山东 淄博，255206）

通过分析HMX晶体的精加工过程，发现切割速度对晶体的加工质量有重要影响，而且速度大小需要随着温度和晶面的变化而不断调整。采用分子动力学(MD)方法，在COMPASS力场下模拟了HMX晶体(011)和(010)晶面在不同温度下的力学性能。结果表明：随着温度的升高，晶面的杨氏模量（）、体积模量（）、剪切模量（）、/呈先上升后下降趋势，说明HMX晶体的刚度、断裂强度、硬度、韧性均随温度升高而先升高后下降，其中(011)面和(010)面的各模量分别在308K、298K达最大值，预测(011)面的最优加工温度在308K左右，(010)面的最优加工温度在298K左右，这与实际加工过程相符。

HMX；晶体切割；分子动力学；力学性能

研究晶体是了解炸药特性的一种最为直接有效的方法，对研究炸药的起爆机理、安全性能评估、炸药降感、武器装药设计等有重要的意义[1-2]。中国工程物理研究院[3-4]利用磁驱动准等熵压缩加载技术研究了炸药晶体的固固相变过程及动力学响应特性，并深入研究了晶体的破碎与细观断裂行为。北京理工大学的研究人员[5]利用纳米压痕技术测定了HMX和RDX晶面的力学行为和微观破坏特征。国外对炸药晶体类似的研究也很多[6-7]。这些研究都是以高品质的炸药晶片为研究对象，晶片的表面粗糙度、平行度等直接影响测试结果，所以制备高品质的炸药晶片十分必要。

奥克托今（Octahydro- 1,3,5,7- tetranitor- 1,3,5,7- tetrazocine，HMX）是一种综合性能良好的硝胺类炸药，广泛应用于各种武器系统中，开展其晶体的相关研究能够充分认识HMX的性质。晶体的研究主要以定向晶片为研究对象，目前多数研究人员直接购买加工好的晶体，很少注意到晶体在加工过程中的问题。本文分析了影响晶体加工的主要因素，并通过分子动力学方法模拟了（011）面和（010）面在不同温度下的力学性能，研究其随温度变化的递变规律，为晶体加工工艺的改进提供理论依据。

1 加工过程

晶体加工过程主要分为两步：首先对晶体进行定向切割，然后对所得晶片进行抛光处理以获得表面光滑、平行度高的晶体。

1.1 切割方法

晶体的切割过程在金刚石线切割机上完成，切割时，晶体固定在工作台上，金刚石线以一定的速度1沿平行于切割面的方向（轴）运动，工作台带动晶体以一定的速度2向上（轴）运动，在摩擦力作用下实现对晶体的切割，切割原理如图1所示。

图1 切割原理

切割过程中用冷却液对晶体实施物理降温，以防止产生局部热点造成安全隐患。同时，冷却液也为精确控温提供可能，通过控制冷却液的温度就能实现对切割温度的控制。

1.2 切割速度对晶体表面粗糙度的影响

为了研究切割速度对晶体表面粗糙度的影响，对HMX（011）面进行定向切割，主轴速度1=180r/min，切割速度2分别设置为0.1mm/min、0.3mm/min、0.5mm/min。将所得晶片进行3D扫描检测，如图2所示，图2（b）中的白色是HMX的粉末，造成误差，读数时忽略杂质点。

图 2 HMX(011)面3D扫描和放大图

从图2中可以看出，切割速度0.1mm/min得到的晶片表面高度差是3.5μm左右，切割速度0.3mm/min的是9.2μm左右，切割速度0.5mm/min的是16μm左右。由此可见，切割速度越慢，晶片表面粗糙度越低。表面粗糙度影响晶片的后续抛光过程，晶片表面越平滑越容易抛光，所得晶片的平行度也越高。但是，切割速度过低则会消耗大量时间，不利于提高工作效率。

1.3 晶面对加工过程的影响

HMX是典型的各项异性材料，不同晶面的弹性模量、断裂韧性有明显差异。室温下，在保证切割质量的前提下，HMX侧面的切割速度要比最大晶面（011）的切割速度快0.3倍左右，而且侧面抛光不易碎，成功率高。

图3（a）给出了实验室通过降温结晶法培养的厘米级HMX晶体图。在=20℃、2=0.15mm/mim切割条件下，用光学显微镜观察HMX单晶（011）面和（010）面，分别如图3（b）、图3（c）所示，可以明显看出同一晶体不同切割面的表面粗糙程度不同，表明其力学性能不同。

图 3 HMX晶体及晶片（未抛光）

1.4 温度对加工过程的影响

室温下，切割相同的晶片，28℃时的切割速度比18℃时的切割速度高1倍左右，而且在抛光过程中不易碎裂，温度越高晶体越容易加工。晶体受温度的影响比较大，10℃左右的温度梯度变化就有可能使晶体发生断裂。例如，20℃左右的室温下，人体与晶体直接接触，晶体会由于受热不均匀发生断裂，这也是晶体切割加工过程中常见的现象之一。因此，研究晶体的力学性能时要充分考虑温度的影响。

1.5 HMX晶体加工工艺确定

通过研究晶面、冷却液温度对切割速度的影响，针对不同晶片厚度和晶面，确定了温度和切割速度，如表1所示。

表1 HMX单晶的切割参数

Tab.1 The cutting parameters of HMX crystal

在保证切割质量的条件下，侧面的最优切割速度比最大面（011）高。同一晶面，温度越高、晶片厚度越大，切割速度越高。抛光过程分为粗抛和精抛两个过程：首先用7μm的刚玉研磨粉进行粗抛，目测晶体表面光滑无明显划痕时，然后用0.75μm的氧化铈粉进行精抛。

2 模拟部分

为了充分研究温度对晶体加工过程的影响，对不同温度下的（011）面和（010）面展开模拟研究，计算其力学性能。

2.1 模拟细节

从CCDC剑桥晶体结构数据库中直接导出HMX的晶体结构，晶格参数为：=6.54，=11.05，=8.70；==90°，=124.30°。利用Materials Studio[8]软件中的discover模块和Forcite模块进行模拟计算。首先，建立3×3×3的HMX超级晶胞，能量最小化后沿所要计算的晶面进行切割分面，然后用所得晶面建层，上层真空度设为0，搭建好的初始模型如图4所示。初始模型经过10 000步的能量最小化后，再进行几何优化，最后在Compass力场[9]下进行分子动力学模拟。选用NPT系综，Andersen控温方法和Parrinello控压方法[10]，压力为1.0×105Pa，静电作用和范德华作用分别用Ewlad和atom-based[11]求和方法。温度依次设定为278K、288K、298K、308K、318K、328K，时间步长为1fs，模拟时间为200ps，每100步保存1帧，这样获得体系平衡结构和分子的运动轨迹，取轨迹最后30帧计算其力学性能。

图4 模型构建

2.2 结果与讨论

杨氏模量（）表示物体弹性变形难易程度，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大。体积模量（）表示产生单位相对体积收缩所需的压力，越大，使材料发生一定的压缩变形的压力越大，即材料的断裂强度越大。剪切模量（）表示材料抵抗切应变的能力。其中，、、的关系满足式（1）[12]：

=2（1+）=3(1－2) （1）

式（1）中：为泊松比；为杨氏模量；为剪切模量；为体积模量。

HMX晶体在不同温度下的力学性能参数，如表2所示。从表2中可以看出，随温度的升高，HMX的（011）晶面和（010）晶面的杨氏模量（）、体积模量（）、剪切模量（）、/呈先上升后下降趋势，说明HMX晶体的刚度、断裂强度、硬度、韧性均随温度升高先升高后下降。（011）晶面的各模量在308K达到最大值，（010）晶面的各模量在298K达到最大值。柯西压（12-44）为负值，说明HMX晶体是脆性材料，但随温度的升高其值上升，表明其延展性有所改善。

晶体在切割过程中，会受到来自x轴方向的摩擦载荷和来自z轴方向的压力载荷，同时由于金刚石线的震动，会在y轴方向形成剪切应力。晶体在抛光过程中，下底面受到静摩擦力作用，上底面受到滑动摩擦力作用，发生剪切变形，同时由于抛体表面缺陷、磨料分布不均，晶体会产生拉伸变形或挤压变形。在保持切割速度不变的条件下，也就是说HMX晶体受到的作用力载荷不变，各模量越大，抵抗外界载荷的能力越强，晶体越不容易发生断裂。既在保证晶体不发生断裂的情况下，模量较大时，可以适当提高作用力载荷，即适当提高切割速率。对于抛光过程同样如此，所以最大面（011）面的最优加工温度在308K左右，（010）面的最优加工温度在298K左右。

表 2 不同温度下(011)面和(010)面的力学性能

Tab.2 The mechanical properties of (011)face and (010)face at different temperatures (GPa)

注：12-44为柯西压；为杨氏模量；为体积模量；为剪切模量；为泊松比。

同一温度下，较低温度时（011）晶面的各模量参数比（010）面的小，抵抗外界载荷的能力较弱；较高温度时（011）面的各模量参数比（010）面的大，抵抗外界载荷的能力较强。这很好地解释了室温条件下最大面（011）较难加工的现象。

3 结论

通过对HMX晶体的加工过程进行分析，确定了HMX晶体不同晶面和温度下的最优加工参数。模拟研究表明随温度的升高，HMX（011）面和（010）面的刚度、断裂强度、硬度、韧性均随温度升高先升高后下降，其中，（011）面的各模量在308K达最大值，（010）面的各模量在298K达最大值。室温范围内，相同温度条件下，（010）面的力学性能优于（011）面。预测（011）晶面的最优加工温度在308K左右；（010）晶面的最优加工温度在298K左右。

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HMX Crystal Processing and Simulation of Mechanical Properties

SHEN Chen1，WANG Jian-hua1，LIANG Jin-gang2，LIU Yu-cun1，CHAI Tao1

（1.School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan, 030051； 2.Shandong Shengshida Chemical Co. Ltd., Zibo, 255206)

Through analyzing the HMX crystal processing, it is found that the cutting speed is very important to the crystal carving, and should be constantly changed to adjust the variation of crystal face and temperature. By molecular dynamics(MD), the mechanical properties of (011) face and (010) face of HMX crystal were simulated in different temperatures with COMPASS force filed. The results show that, with the increasing of temperature, Young modulus (), bulk modulus (), shear modulus () and the ratio of/rise in the first stage and then decrease, which indicate that the stiffness, breaking strength, hardness, tenacity of the HMX crystal all rise firstly and then decline with the temperature raising. The modulus of (011) and (010) reached maximum at 308K and 298K respectively. The optimal processing temperature of (011) face is predicted of 308K and that of (010) face is 298K, which according with the actual processing.

HMX；Crystal processing；Molecular dynamics；Mechanical properties

1003-1480（2017）05-0016-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.005

2017-06-30

沈忱（1990 -），男，在读硕士研究生，主要从事含能化合物晶体研究。

国家自然科学基金委员会和中国工程物理研究院联合基金资金项目（U1330135）。