基于Perl语言的含能材料耐热性能模拟*

杨海霞，高伟达，付一政

（1.山西大学商务学院，太原 030031；2.中国航天科工集团公司第三研究院第八三五九研究所，北京 1000722；3.中北大学材料科学与工程学院，太原 030051）

0 引言

含能材料是武器的动力源和威力源，是武器系统实现远程精确打击和高效毁伤的物质基础，在含能材料中，聚合物最主要的用途是作为粘合剂，它是含能材料的重要组成部分，是含能材料的基础和骨架，只有在它的作用下，含能材料中其他组分才能粘结在一起，从而使含能材料保持一定的几何形状和良好的力学性能。聚合物的性能对含能材料的各种性能，如能量性能、力学性能、燃烧性能和耐热性能等有着重要的影响［1-3］。玻璃化转变是聚合物的一种普遍现象，在发生玻璃化转变时，聚合物许多物理性能发生了急剧的变化，玻璃化转变温度Tg的高低直接决定了含能材料耐热性的好坏。对于玻璃化转变现象，至今尚无完善的理论可以作出完全符合实验事实的正确解释。自由体积理论认为聚合物的自由体积会随着温度的改变而发生相应的变化，在玻璃化转变温度Tg之下，随着温度的升高，自由体积的改变是非常小的，但在玻璃化转变处却有一个突变，测量自由体积随温度变化曲线上的拐点是获得Tg的一个方法［4］。已有研究工作者根据这一原理，采用Materials Studio模拟软件，通过阶段升温的分子动力学（MD）模拟方法，获得研究对象在不同温度（10～20个温度）下的特征体积（密度），通过对模拟得到的密度-温度作图，求得模型的Tg［5-10］。

但研究者面临的一个共性问题是：需要操作者一直守在电脑旁，当一个温度模拟结束后，手动将这个温度下的模拟结果设定为下一个温度模拟的输入参数，非常耗费时间和人力。基于此本文采用Perl语言［11］、XML 语言结合 Materials Studio分子模拟软件，开发了能够自动进行升温模拟的脚本，同时为了便于操作，设计了相应的模拟参数输入界面，用户只需要输入相应的参数，即可快速自动进行阶段升温的MD模拟，并根据不同温度下得到的密度对模型的Tg进行预测。

1 程序工作原理

1.1 工作原理

聚合物Tg的预测主要通过对建立的模型进行从低温到高温的阶段性升温NVT和NPT分子动力学模拟得到。其中前一阶段（较低温度）分子动力学模拟的最终平衡构象用作后一阶段（较高温度）分子动力学模拟的起始构象。在每一温度，先进行一段时间的NVT分子动力学模拟，使得高分子链得以进一步的松弛。然后进行一段时间的NPT分子动力学模拟，用来收集模型的密度，最后通过对密度-温度作图，得到模拟体系的Tg及其他数据。

1.2 参数设定界面

为了便于用户操作，本文设计了相应的用户参数设定界面见图1所示。由于XML（可扩展标记语言）生成的图形用户界面不受软件开发平台约束，本文采用XML技术，对所需图形界面进行开发。

图形用户界面由标签、按钮，文本框等控件构成，通过用XML语言来描述各控件的属性。这些属性包括控件大小，控件默认值等所有的控件特征。其部分核心代码如下：

//下面代码为每个输入值的默认值，如图界面显示，低温设置默认值为300，高温设置默认值为600

1.3 程序流程图和核心程序

Materials Studio软件开放了基于Perl语言的脚本编写，因此，本文采用Perl语言编写了主程序、升温子程序、密度分析子程序、数据分析子程序，以及NVT的MD模拟子程序，NVP的MD模拟子程，各子程序间的具体的运行流程图如图2所示。

本文的重点在于开发了能够按照指定的温度范围由程序自动进行升温模拟的Perl语言脚本，从而使模拟人员脱离反复不停地手工录入温度的工作，提高了分子模拟的效率，其子程序的核心代码如下：

#NVT的MD模拟子程序

2 方法应用及其结果

本文以常用的高分子热塑性材料PE为例，对程序的运行效果进行了测试。根据PE（见图3所示）的分子结构式，运用Material Studio（MS）软件包构建分别包含1、2、4、6、8条PE分子链的无定型分子模型，每条链包含100个乙烯重复单元，相应的每个模型包含的原子个数为 600、1 200、2 400、3 600 和4 800（见图4所示）。

在图1中设定模拟条件如下：HighTemp（最高温）为 300 K，LowTemp（最低温）为 100 K StepTemp（升温间隔）为10 K，共21个温度，NVTDynamicTime（NVT系综运行时间）为50 PS，NPTDynamicTime（NVT系综运行时间）为150 PS。

经过运行本脚本程序自动得到不同温度下各个模型的密度，见图5所示，从图5可见各个模型的密度均会随着温度的升高而降低，在Tg以下下降较慢，而在Tg以上则下降较快，在Tg附近发生突变，通过曲线的拐点即可求得其Tg约为211 K，与实验值相差不大［4］。同时由图5可见，当模型中分子链较少时，由于分子链的端末效应较大，使得体系的波动性较大，密度变化较大，可见只有当体系中原子个数较多时，得到的模拟结果才比较可信。

3 结论

本文通过Perl语言、XML语言与Materials Studio软件相结合，编写了能自动进行高分子玻璃化转变温度的模拟预测的脚本，并以PE为算例对脚本的运行情况进行了验证，预测的玻璃化转变温度与实验值一致，表明该脚本模拟方法是合理可行的，使用本方法可以简单、快速地获得聚合物的玻璃化转变温度，为其进一步的实验提供参考，也为含能材料的配方设计提供理论指导。