Lorsque des explosifs élevés sont soumis à des ondes de choc soudaines, comme à partir d'un impact ou d'une détonation, de minuscules régions de chaleur intense – appelés points chauds – se sont formés à des défauts microstructuraux tels que les pores. Ces points chauds jouent un rôle essentiel pour déterminer si l'explosif initiera et explosera complètement. Comprendre comment les points chauds se forment et se comportent sur des échelles de longueur est la clé pour développer des modèles prédictifs pour la sécurité et les performances des explosifs utilisés pour la défense, l'exploitation minière et d'autres applications.
Bien que la modélisation informatique ait été un outil puissant pour étudier les points chauds depuis les années 1960, les simulations complètes de points chauds résolus atomiquement sont limitées à de très petits pores – jusqu'à présent.
Utilisant le supercalculateur de Sierra de LLNL, une équipe de Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a fait des progrès significatifs pour comprendre comment les points chauds microscopiques se forment dans des explosifs élevés insensibles basés sur TATB (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzène). Leurs recherches apparaissent dans le Journal of Physical Chemistry C.
L'équipe de recherche, dirigée par le scientifique des matériaux de calcul Matt KroonBlawd, a effectué des simulations de dynamique moléculaire (MD) étendues à des échelles sans précédent, atteignant finalement un domaine multi-micron avec un pore de diamètre de 300 nanomètres. Leur objectif était d'observer précisément comment les points chauds se forment lorsque les pores dans l'explosif s'effondrent après avoir été choqués. Ces simulations impliquaient jusqu'à 600 millions d'atomes, ce qui en fait les plus grandes simulations MD jamais effectuées jamais effectuées pour un matériel explosif.
La formation de points chauds implique des mécanismes de matériaux hautement couplés, du transport, des transitions de phase et de la chimie, ce qui fait de MD un outil bien adapté pour modéliser ce phénomène. En effet, MD permet des approximations physiques minimales – une pratique de modélisation typique où les modèles utilisent les mathématiques pour approximer (ou supposer) comment un matériel peut réagir dans différentes conditions. Ces hypothèses peuvent parfois entraîner des erreurs lors de l'extrapolation des prédictions à différentes tailles ou conditions.
Pour compléter leurs simulations MD, l'équipe a également utilisé des simulations ALE3D basées sur le continuum pour étendre son analyse à des pores encore plus importants et combler l'écart entre la modélisation à l'échelle atomistique et microstructurale. ALE3D est un code d'éléments finis multiphysiques qui permet aux chercheurs d'ajuster indépendamment les propriétés des matériaux spécifiques, offrant une perspective différente de la MD.
En comparant les résultats des deux approches, l'équipe a révélé une tendance inattendue dans la façon dont les points chauds se comportent sur différentes échelles de taille et une explication physique de ces résultats.
Étonnamment, les simulations MD ont révélé que lorsque les points chauds se forment à des pores supérieurs à 20 nanomètres, ils présentent des caractéristiques invariantes à l'échelle – celles qui sont indépendantes de la taille. Cela signifie que les distributions de température du point chaud et les caractéristiques structurelles se sont révélées cohérentes quelle que soit la taille des pores – si les pores sont supérieurs au seuil de 20 nanomètres.
En utilisant des simulations ALE3D, l'équipe a identifié que l'invariance de l'échelle de l'obstacle à chaud est liée à la résistance mécanique de TATB, qui contrôle sa réponse contrainte-déformation. Aux taux de déformation ultrafast impliqués dans l'effondrement des pores, la réponse à la contrainte-déformation des cristaux TATB n'est pas affectée par le taux de déformation. Ainsi, les simulations ALE3D ont confirmé que la réponse contrainte-déformation est suffisante pour expliquer le comportement observé dans les simulations MD.
Ces résultats simplifient la modélisation des points chauds et offrent la confiance et les conseils sur l'application des informations des simulations MD à des échelles de longueur plus grandes.
« Un tel travail positionne les simulations de dynamique moléculaire comme un fondement pour développer des modèles à plusieurs échelles plus généraux d'explosifs élevés insensibles et peut potentiellement guider le développement de nouveaux matériaux explosifs avec une meilleure sécurité et des propriétés de performance », a déclaré KroonBlawd.
