2018 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical study on explosion of energetic materials
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17H00844
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
三宅 淳巳 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 教授 (60174140)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 智博 九州大学, 工学研究院, 准教授 (70466788)
伊里 友一朗 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 助教 (90794016)
塩田 謙人 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(助教) (30827837)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | エネルギー物質 / 爆発 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、爆発現象の理解と予測精度を飛躍的に向上させるため，外部エネルギーの入射による反応の生起から分解，発火，燃焼，爆発に至るプロセスを精密な実験で測定，解析するとともに，現象を分子レベルでの化学結合の組み替えによる詳細反応解析に基づく量子化学計算により再現し，爆発の発生，伝播及び爆発影響予測に至る体系的な爆発学理の構築を図ることである。
平成30年度は、平成29年度の成果を土台に、①対象とする凝縮相エネルギー物質の拡充、②詳細反応モデリング技術の高度化、③実験的検証および解析技術の向上に取り組んだ。①に関しては、次世代ロケット推進剤原料である硝酸ヒドロキシルアミンや自動車用エアバッグ用ガス発生剤原料である硝酸グアニジンを解析対象に追加し、詳細反応モデルの一般化を図り、それら対象物質に関する詳細反応モデル構築を達成した。②に関しては、上記詳細反応モデルを構築する上での量子化学計算の理論を見直し、より高精度な計算レベルへの刷新を行い、その結果、モデルの精度が大きく向上された。③に関しては、燃焼現象の可視化技術や熱分析技術の向上について取り組んだ。特に示差走査熱-熱重量-高分解能飛行時間型質量複合分析による熱-生成ガス分析により、これまで解析困難であった同質量を有する生成ガス種の峻別に成功し、反応機構解析技術が大幅に向上した。これら研究進捗により、熱的な外部エネルギー入力に対する凝縮相エネルギー物質の応答解析技術としては、一定の水準に達したと判断する。しかし、依然として詳細反応モデリングにおける凝縮相化学反応の理論的取扱いの向上(液相エントロピーの高精度な算出)や熱以外の外部エネルギーに関する応答に関して課題が残った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成30年度においては，①対象とする凝縮相エネルギー物質の拡充、②詳細反応モデリング技術の高度化、③実験的検証および解析技術の向上において一定以上の成果が出た。①対象とする凝縮相エネルギー物質の拡充では、次世代ロケット推進剤原料である硝酸ヒドロキシルアミンや自動車用エアバッグ用ガス発生剤原料である硝酸グアニジンを解析対象に追加し、詳細反応モデルの一般化を図ることができた。②詳細反応モデリング技術の高度化では、前年度に引き続き計算モデルをブラッシュアップし、より精度の高いモデリング方法(G4//wB97X-D/SMD)を見出すことができた。③実験的検証および解析技術では複合測定技術の導入、特に示差走査熱-熱重量-高分解能飛行時間型質量複合分析やサイクリックボルタンメトリー-紫外可視分光同時測定法などを検討し、これまでの測定技術では測定できなかったエネルギー物質の反応挙動を検出することに成功した。
これら成果は速やかに英文論文化し、国際会議で発表(4件)および国際学術誌に投稿した。投稿論文については関連学術雑誌より3件が公開されている。
上記の通り、モデル範囲を拡張し、モデリングおよび実験手法が向上されたこと、加えて、それを用いた成果報告が活発に行われている点から順調に進捗していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度では、これまでの成果をブラッシュアップすると共に、詳細反応モデリング時に実施する量子化学計算に取り込む溶媒効果の抜本的な改善および熱以外の外部エネルギー入力に関する基礎検討に取り組む。溶媒効果に関しては、現行広く用いられている連続誘電体モデル(PCMs)には大きな制約条件がある。それは準理想気体的な取り扱いを液相化学種に対して行うため、エントロピーを過大評価してしまい、熱力学データの温度依存性を正しく再現できない。その結果として、液体がどのような高温条件でも沸騰しない等の物理的に不合理な予測を与えることもある。限られた温度範囲では、PCMsを用いたモデリングで十分であり、一定の成果は上がっているが、より広範な条件でのエネルギー物質の挙動を高い精度で再現するためには、この問題を解決する必要がある。具体的には、液相中の分子の並進・回転運動を物理的に補正する方法を確立する。
一方、熱以外の外部エネルギー入力に関する基礎検討としては、衝撃起爆に関する基礎検討に取り組む。衝撃起爆過程は、格子振動-分子振動励起もしくはHOMO-LUMOギャップの圧縮の2つの現象が協奏的に起こるとされているが、これを第一原理分子動力学シミュレーションによって解析する基礎を構築することが平成31年度の目的である。具体的には、凝縮相エネルギー物質の密度を再現する計算条件の確立と格子振動解析を実施する。
前年度成果のブラッシュアップとして、詳細反応モデルのさらなく拡充と実験的検証をさらに進める。
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