基于Perl語(yǔ)言的含能材料耐熱性能模擬*

楊海霞，高偉達(dá)，付一政

（1.山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，太原 030031；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)公司第三研究院第八三五九研究所，北京 1000722；3.中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

含能材料是武器的動(dòng)力源和威力源，是武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確打擊和高效毀傷的物質(zhì)基礎(chǔ)，在含能材料中，聚合物最主要的用途是作為粘合劑，它是含能材料的重要組成部分，是含能材料的基礎(chǔ)和骨架，只有在它的作用下，含能材料中其他組分才能粘結(jié)在一起，從而使含能材料保持一定的幾何形狀和良好的力學(xué)性能。聚合物的性能對(duì)含能材料的各種性能，如能量性能、力學(xué)性能、燃燒性能和耐熱性能等有著重要的影響［1-3］。玻璃化轉(zhuǎn)變是聚合物的一種普遍現(xiàn)象，在發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，聚合物許多物理性能發(fā)生了急劇的變化，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的高低直接決定了含能材料耐熱性的好壞。對(duì)于玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，至今尚無(wú)完善的理論可以作出完全符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)的正確解釋。自由體積理論認(rèn)為聚合物的自由體積會(huì)隨著溫度的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg之下，隨著溫度的升高，自由體積的改變是非常小的，但在玻璃化轉(zhuǎn)變處卻有一個(gè)突變，測(cè)量自由體積隨溫度變化曲線上的拐點(diǎn)是獲得Tg的一個(gè)方法［4］。已有研究工作者根據(jù)這一原理，采用Materials Studio模擬軟件，通過(guò)階段升溫的分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬方法，獲得研究對(duì)象在不同溫度（10～20個(gè)溫度）下的特征體積（密度），通過(guò)對(duì)模擬得到的密度-溫度作圖，求得模型的Tg［5-10］。

但研究者面臨的一個(gè)共性問(wèn)題是：需要操作者一直守在電腦旁，當(dāng)一個(gè)溫度模擬結(jié)束后，手動(dòng)將這個(gè)溫度下的模擬結(jié)果設(shè)定為下一個(gè)溫度模擬的輸入?yún)?shù)，非常耗費(fèi)時(shí)間和人力?；诖吮疚牟捎肞erl語(yǔ)言［11］、XML 語(yǔ)言結(jié)合 Materials Studio分子模擬軟件，開發(fā)了能夠自動(dòng)進(jìn)行升溫模擬的腳本，同時(shí)為了便于操作，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模擬參數(shù)輸入界面，用戶只需要輸入相應(yīng)的參數(shù)，即可快速自動(dòng)進(jìn)行階段升溫的MD模擬，并根據(jù)不同溫度下得到的密度對(duì)模型的Tg進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 程序工作原理

1.1 工作原理

聚合物Tg的預(yù)測(cè)主要通過(guò)對(duì)建立的模型進(jìn)行從低溫到高溫的階段性升溫NVT和NPT分子動(dòng)力學(xué)模擬得到。其中前一階段（較低溫度）分子動(dòng)力學(xué)模擬的最終平衡構(gòu)象用作后一階段（較高溫度）分子動(dòng)力學(xué)模擬的起始構(gòu)象。在每一溫度，先進(jìn)行一段時(shí)間的NVT分子動(dòng)力學(xué)模擬，使得高分子鏈得以進(jìn)一步的松弛。然后進(jìn)行一段時(shí)間的NPT分子動(dòng)力學(xué)模擬，用來(lái)收集模型的密度，最后通過(guò)對(duì)密度-溫度作圖，得到模擬體系的Tg及其他數(shù)據(jù)。

1.2 參數(shù)設(shè)定界面

為了便于用戶操作，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的用戶參數(shù)設(shè)定界面見圖1所示。由于XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）生成的圖形用戶界面不受軟件開發(fā)平臺(tái)約束，本文采用XML技術(shù)，對(duì)所需圖形界面進(jìn)行開發(fā)。

圖形用戶界面由標(biāo)簽、按鈕，文本框等控件構(gòu)成，通過(guò)用XML語(yǔ)言來(lái)描述各控件的屬性。這些屬性包括控件大小，控件默認(rèn)值等所有的控件特征。其部分核心代碼如下：

//下面代碼為每個(gè)輸入值的默認(rèn)值，如圖界面顯示，低溫設(shè)置默認(rèn)值為300，高溫設(shè)置默認(rèn)值為600

1.3 程序流程圖和核心程序

Materials Studio軟件開放了基于Perl語(yǔ)言的腳本編寫，因此，本文采用Perl語(yǔ)言編寫了主程序、升溫子程序、密度分析子程序、數(shù)據(jù)分析子程序，以及NVT的MD模擬子程序，NVP的MD模擬子程，各子程序間的具體的運(yùn)行流程圖如圖2所示。

本文的重點(diǎn)在于開發(fā)了能夠按照指定的溫度范圍由程序自動(dòng)進(jìn)行升溫模擬的Perl語(yǔ)言腳本，從而使模擬人員脫離反復(fù)不停地手工錄入溫度的工作，提高了分子模擬的效率，其子程序的核心代碼如下：

#NVT的MD模擬子程序

2 方法應(yīng)用及其結(jié)果

本文以常用的高分子熱塑性材料PE為例，對(duì)程序的運(yùn)行效果進(jìn)行了測(cè)試。根據(jù)PE（見圖3所示）的分子結(jié)構(gòu)式，運(yùn)用Material Studio（MS）軟件包構(gòu)建分別包含1、2、4、6、8條PE分子鏈的無(wú)定型分子模型，每條鏈包含100個(gè)乙烯重復(fù)單元，相應(yīng)的每個(gè)模型包含的原子個(gè)數(shù)為 600、1 200、2 400、3 600 和4 800（見圖4所示）。

在圖1中設(shè)定模擬條件如下：HighTemp（最高溫）為 300 K，LowTemp（最低溫）為 100 K StepTemp（升溫間隔）為10 K，共21個(gè)溫度，NVTDynamicTime（NVT系綜運(yùn)行時(shí)間）為50 PS，NPTDynamicTime（NVT系綜運(yùn)行時(shí)間）為150 PS。

經(jīng)過(guò)運(yùn)行本腳本程序自動(dòng)得到不同溫度下各個(gè)模型的密度，見圖5所示，從圖5可見各個(gè)模型的密度均會(huì)隨著溫度的升高而降低，在Tg以下下降較慢，而在Tg以上則下降較快，在Tg附近發(fā)生突變，通過(guò)曲線的拐點(diǎn)即可求得其Tg約為211 K，與實(shí)驗(yàn)值相差不大［4］。同時(shí)由圖5可見，當(dāng)模型中分子鏈較少時(shí)，由于分子鏈的端末效應(yīng)較大，使得體系的波動(dòng)性較大，密度變化較大，可見只有當(dāng)體系中原子個(gè)數(shù)較多時(shí)，得到的模擬結(jié)果才比較可信。

3 結(jié)論

本文通過(guò)Perl語(yǔ)言、XML語(yǔ)言與Materials Studio軟件相結(jié)合，編寫了能自動(dòng)進(jìn)行高分子玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的模擬預(yù)測(cè)的腳本，并以PE為算例對(duì)腳本的運(yùn)行情況進(jìn)行了驗(yàn)證，預(yù)測(cè)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與實(shí)驗(yàn)值一致，表明該腳本模擬方法是合理可行的，使用本方法可以簡(jiǎn)單、快速地獲得聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，為其進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)提供參考，也為含能材料的配方設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。