CL20/DNB共晶的热感度分子动力学研究

杨镇 薛一江 何远航

引用本文: 杨镇, 薛一江, 何远航. CL20/DNB共晶的热感度分子动力学研究[J]. 化学学报, 2016, 74(7): 612-619. doi: 10.6023/A16030141 shu
Citation:  Yang Zhen, Xue Yijiang, He Yuanhang. Thermal Sensitivity of CL20/DNB Co-crystal Research via Molecular Dynamics Simulations[J]. Acta Chimica Sinica, 2016, 74(7): 612-619. doi: 10.6023/A16030141 shu

CL20/DNB共晶的热感度分子动力学研究

    通讯作者: 何远航, E-mail: heyuanhang@bit.edu.cn; Tel.: 010-68918878
摘要: 共晶技术大幅提高了六硝基六氮杂异伍兹烷(CL20)的热稳定性而且保留了CL20高爆速、高爆压等特性.为了研究CL20/1,3-硝基甲苯(DNB)共晶的热感度降低的原因,采用ReaxFF/lg反应力场模拟CL20/DNB共晶、CL20/TNT共晶、CL20单晶以及DNB单晶系统的热分解过程.研究发现:CL20/DNB共晶的热感度低于CL20/TNT共晶和CL20单晶的热感度,但高于DNB单晶的热感度.通过分析CL20单晶和CL20/DNB共晶的初始反应路径,揭示了共晶有效降低CL20热感度的机理.CL20/DNB共晶和CL20热分解具有相似的主要产物,NO2、NO3、N2、N2O2、HNO、H2O、CO2和HONO等,通过反应动力学分析得到CL20/DNB共晶和CL20的活化能.

English

  • 

    1    引言

    图1 CL20、DNB和TNT的分子结构图

    Figure 1. The structures of CL20, DNB and TNT

    表1 CL20、CL20/DNB、DNB以及CL20/TNT的爆轰性能[11] Table1. Detonation properties for CL20, CL20/DNB co-crystal, DNB and CL20/TNT co-crystal
    材料样本 晶体密度ρ/(g·cm-3) 爆速D/(m·s-1) 爆压P/GPa
    CL20 2.044 9386 45.09
    CL20/DNB共晶 1.88 8434 34.07
    DNB 1.575 5840 14.18
    CL20/TNT共晶 1.846 8466 33.8
    表1 CL20、CL20/DNB、DNB以及CL20/TNT的爆轰性能[11]
    Table1. Detonation properties for CL20, CL20/DNB co-crystal, DNB and CL20/TNT co-crystal

    目前, 已有学者对CL20[12, 13]以及CL20/TNT共晶进行了研究. Isayev等[14]和Byrd等[15]Ab initio分子动力学对CL20的热分解过程进行了研究, 并预测其反应路径.许晓娟等[16]通过理论研究CL20的热解机理, 得到CL20热解的触发反应. Tian等[17]通过实验研究了不同热处理方式对CL20的微观结构的影响. Golofit等[18]对不同粘结剂粘结的CL20的热分解过程进行了实验研究, 结果表明: CL20热分解包含两个过程, 第一个阶段主要是固体材料的热分解; 第二个阶段主要是中间挥发产物的热分解.刘海等[19, 20]对CL20/TNT共晶的高温热分解过程和冲击起爆过程进行了研究, 得到CL20/TNT共晶高温热分解的细节以及冲击响应过程.目前实验室测到CL20/DNB共晶有效降低CL20的热感度, 然而未有从微观机理解释导致这一现象的原因, 也未有对CL20/DNB共晶热感度与CL20/TNT共晶热感度对比进行相关研究.

    近年来共晶技术在含能材料领域得到了应用[5, 6], 通过CL20与钝感炸药形成共晶, 从而降低含能材料的感度, 提高含能材料的安全性能. Bolton等[7]和杨宗伟等[8]先后通过实验的方法合成了CL20和三硝基甲苯(化学式C7H5N3O6, 俗称TNT, 分子结构图见图 1)物质的量比为1:1的共晶含能材料, 密度为1.92 g·cm-3接近CL20, 爆速比CL20略低, 但是感度远低于CL20. Bolton等[9]合成了CL20和HMX物质的量比为2:1的共晶含能材料, 共晶炸药感度与HMX接近, 且爆速比HMX高.孙婷等[10]通过分子动力学对PBX基CL-20/HMX共晶炸药进行了研究.王玉平等[11]合成了CL20与1, 3-二硝基苯(化学式C6H4N2O4, 俗称DNB, 分子结构图见图 1)物质的量比为1:1的共晶含能材料, 密度比CL20/TNT共晶炸药高, 而预测其感度比CL20/TNT共晶炸药还要低. 表 1列出了CL20/TNT、CL20/DNB、CL20和DNB的性能.

    随着武器系统的不断发展对含能材料提出更高的要求, 含能材料不仅需要具有高密度、高爆热和高爆压, 而且必须具有非常高的安全性能, 因此世界各国高度重视对新型含能材料的研究.多硝基笼状化合物构成的含能材料近期成为研究的热点, Nielsen等[1, 2]首次合成的六硝基六氮杂异伍兹烷(化学式C6H6N12O12, 简称HNIW, 俗称CL20, 分子结构图见图 1)是其典型代表. CL20具有高密度(≈2.0 g·cm-3)、高氧平衡(-10.95%)、高生成热以及高能量输出[高于奥克托今(HMX)约14%][3, 4], 使其成为最有应用前景的含能材料之一.然而CL20的热感度高于HMX等炸药, 制约其更广泛应用.

    热感度是含能材料的重要参数之一, 对其安全应用具有十分重要的意义.在实验条件下, 由于极端条件下反应十分复杂, 同时存在大量中间产物而且反应时间极短, 难以观察到反应过程中的微观尺度细节. ReaxFF/lg反应力场通过对含能材料在极端条件下的反应过程进行模拟, 能够从原子尺度揭示初始反应过程及其反应机理.目前, ReaxFF/lg反应力场在含能材料的应用方面已经取得了一些成果[21~25].本文采用LAMMPS Molecular Simulator[26]中的ReaxFF/lg反应力场程序包对CL20/DNB共晶、CL20/TNT共晶、CL20单晶以及DNB单晶的初始热分解过程进行模拟计算研究.从原子尺度揭示共晶对热感度的影响, 从而为将来进一步合成优良性能共晶含能材料提供指导意义.

    2    结果与讨论

    2.1    势能的演化

    图2 CL20、DNB和CL20/DNB系统的势能演化曲线

    Figure 2. Time evolution of potential energy for CL20, DNB and CL20/DNB system

    图 2是在不同温度条件下CL20、DNB和CL20/DNB共晶系统的势能演化曲线.在不同温度条件下同一系统的势能演化趋势相同.在模拟初始阶段(约0~0.5 ps)四种不同系统的势能都急剧上升, 在这一过程中系统发生吸热分解反应, 相同温度条件下, DNB系统的势能增加的最大, CL20和CL20/DNB系统的势能增加的幅度相近, 这是由于DNB反应的能量壁垒高于CL20.随后, DNB系统中势能上升后没有出现明显的变化; CL20和CL20/DNB系统发生次级反应放出大量的热量, 从而导致系统势能减小, 这一过程中CL20系统比CL20/DNB系统的势能衰减的更快.

    2.2    反应物的分解情况

    图3 (a)不同温度下CL20/DNB共晶和CL20中CL20的历时曲线; (b)不同温度下CL20/DNB共晶和DNB中DNB的历时曲线

    Figure 3. (a) Time evolution of CL20 for CL20/DNB co-crystal and CL20 at various temperatures; (b) Time evolution of DNB for CL20/DNB co-crystal and DNB at various temperatures

    为了比较CL20单晶、DNB单晶和CL20/DNB共晶的热稳定性, 对不同系统中CL20和DNB分子的演化过程进行了分析. 图 3是不同系统中CL20和DNB分子数随时间的演化曲线.从图 3a可以看出, CL20单晶和CL20/DNB共晶系统中的CL20演化趋势相似, CL20分解速度随着温度升高快速增大, 在较低温度时(T=1000 K; T=1250 K), CL20/DNB共晶系统中的CL20分解速度明显低于CL20单晶系统中的分解速度.从图 3b可以看出, DNB单晶和CL20/DNB共晶系统中的DNB演化趋势具有明显差异, 在有限模拟时间内, DNB单晶系统中的DNB几乎未发生分解; CL20/DNB共晶系统中的DNB只有在温度为1000 K时几乎未发生分解, DNB随着温度升高开始分解, 且分解速度随着温度升高而增大.

    2.3    产物分析

    图 4可知, CL20单晶和CL20/DNB共晶系统热分解的主要产物相似, 如NO2、NO、NO3、N2、N2O2、HNO、H2O、CO2和HONO等.在CL20/DNB共晶系统中, CL20消耗速度明显大于DNB, 如温度大于1500 K时, CL20在5 ps内就已经基本消耗完全, 而DNB在约70 ps后才完全分解.通过对产物化学键的分析, 可以发现CL20分子中的NO2首先发生分离, 然后分子中的笼状结构发生破坏, 这与之前的实验[33, 34]和理论[14, 35]研究结果相一致.从图 4中可以看出, NO2是最重要的早期产物, H2O、N2和CO2是终态产物.在相同温度条件下, CL20单晶系统和CL20/DNB共晶系统中NO2演化趋势相似, 在反应起始阶段NO2快速增加, 当系统CL20完全消耗时, NO2的分子数达到最大值, 之后NO2分子数量开始减少.由此看见, 在CL20/DNB共晶系统中, 反应初期CL20分子中的N—NO2键的离解占主导作用.通过对比可以发现, 相同温度条件下反应初始CL20单晶系统的NO2产生速率和NO2分子数的最大值比CL20/DNB共晶系统NO2产生速率和NO2分子数的最大值大.在CL20/DNB共晶系统中, N2、H2O和CO2是终态产物, 在反应过程中分子数量逐渐增大, 温度越高它们产生的越早而且产生速率也越大, 相同温度条件下, 初始热分解过程, N2的产生速率大于H2O和CO2的产生速率.其中H2O在较高温度条件下的演化趋势与较低温度演化趋势存在明显差异:在较低温度条件下系统中H2O的数量逐渐增大, 而在较高温度条件下, H2O的数量增加一定浓度后保持不变(T=2500 K)或小幅减小后维持平衡(T=3000 K).这可能是由于系统中存在过量的CO建立了CO+H2O→CO2+H2动态平衡. N2的产生滞后于NO2, N2是CL20分子中笼状结构发生破坏时才开始产生的. CO2的产生相对滞后, 而且受温度影响明显, 低温条件下, 模拟时间内几乎未生成CO2.对比发现, CL20单晶系统中N2、H2O和CO2比共晶系统出现的早, 而且产生速率也要大, N2和CO2尤其明显.

    图4 不同温度下主要产物随时间变化曲线

    Figure 4. Evolution of products at various temperatures

    图 4是CL20单晶、DNB单晶和CL20/DNB共晶系统在不同温度条件下主要产物的演化曲线. 图 4显示, DNB系统与CL20单晶和CL20/DNB共晶系统产物演化趋势存在明显差异.对DNB系统来说在较低温度条件下都只有少量的DNB发生分解, 而在较高温度条件下(T=2500 K、T=3000 K)才会发生较为明显的分解反应, 出现NO2、HNO、H2O和HONO等少量的产物. NO2是最早出现的产物, 这与实验[27, 28]和理论[29~32]得到DNB热分解的C—NO2键最弱相符.

    2.4    反应动力学分析

    ln(k)=ln(A)-(Ea/R)·(1/T)

    α(t)=α0[1-exp(-kt)]

    A为指前因子, Ea为活化能, R为通用气体常数.由图可以得到CL-20热分解的活化能和指前因子分别为Ea=159.29±36.13 kJ·mol-1A=1.1×1013, 这与实验得到的Ea=150~200 kJ·mol-1A=1013~1017相符的较好. CL-20/DNB共晶热分解的活化能和指前因子分别为Ea=179.34±69.58 kJ·mol-1A=2.5×1013.

    为了得到CL-20和CL-20/DNB共晶炸药热分解活化能, 这里采用经典的Arrhenius定律, 并对反应速率常数k和温度拟合, 见图 5.

    图5 NO2裂解反应速率与温度的倒数(1500~3000 K)

    Figure 5. NO2 fission reaction rate vs inverse temperature in the 1500~3000 K

    表2 CL-20和CL-20/DNB共晶NO2的裂解反应速率常数(1012 s-1) Table2. The NO2 fission reaction rate constant of CL-20 crystal and CL-20/DNB co-crystal
    温度/K CL-20 CL-20/DNB共晶
    3000 0.6848 0.6322
    2500 0.5706 0.4902
    2000 0.1944 0.1818
    1500 0.0545 0.0228
    表2 CL-20和CL-20/DNB共晶NO2的裂解反应速率常数(1012 s-1)
    Table2. The NO2 fission reaction rate constant of CL-20 crystal and CL-20/DNB co-crystal

    对CL-20实验研究结果表明, 硝基炸药初始反应是N—NO2键断裂, CL-20热分解是由NO2裂解反应速率决定的.因此, 通过NO2的裂解反应对CL-20热分解过程进行评价. NO2的裂解反应速率常数可以通过拟合NO2的转化率拟合得到[14]:

    其中, α(t)是t时刻NO2的转化率(t时刻NO2的数值与初始时刻NO2的数量比值); α0是平衡时转化率(通常为1); k是反应速率常数.拟合得到的反应速率常数见表 2.相同温度条件下, CL20系统中的NO2裂解反应速率常数比CL20/DNB系统的大.

    2.5    CL20单晶和CL20/DNB共晶的反应路径分析

    这三个初始反应路径中, 路径1是最为主要反应路径.通过分析发现CL20/DNB共晶系统中CL20最先发生分解, 初始反应路径与CL20单晶的初始反应路径相同.然而, 初始消耗的DNB分子并未发生分解, 而是与CL20及其分解产物结合生成C10H10N14O16、H10C12N11O10和H10C12N14O15等, 以及C6H4N2O4+ NO2→C6H4N3O6; C6H4N3O6+NO2→C6H4N4O8.这些产物相对较为稳定, 而且消耗了CL20分解的中间产物, 从而阻碍了CL20的分解.此外, 在CL20初始反应阶段大部分DNB未参与反应(如在T=2000 K条件下, CL20在5 ps内完全分解, DNB分子在约80 ps时才完全消耗), DNB参与反应的部分也是生成C6H4N3O6、C6H4N4O8和C10H10N14O16等, 这些分子中苯环的存在阻碍了CL20及其分解的中间产物之间的有效碰撞, 从而降低CL20热分解的速度.这可能是CL20/DNB共晶比CL20单晶热稳定好的两个原因.

    路径3

    路径2

    通过对产物分析, 可以得到CL20单晶的初始反应路径, 如下.

    路径1

    2.6    CL20/TNT单晶和CL20/DNB共晶的反应物分析

    图6 (a)不同温度下CL20/DNB共晶和CL20/TNT共晶中CL20的历时曲线; (b)不同温度下CL20/DNB共晶中DNB的历时曲线和CL20/TNT共晶中TNT的历时曲线

    Figure 6. (a) Time evolution of CL20 for CL20/DNB co-crystal and CL20/TNT co-crystal at various temperatures; (b) Time evolution of DNB for CL20/DNB co-crystal and time evolution of TNT for CL20/TNT co-crystal at various temperatures

    为了比较CL20/DNB共晶和CL20/TNT共晶的热稳定性, 分别对CL20/DNB共晶和CL20/DNB共晶系统中CL20的演化过程以及DNB和TNT的演化过程进行了分析. 图 6a是CL20/DNB共晶和CL20/DNB共晶系统中CL20的演化过程.两个系统中的CL20演化趋势相似, CL20分解速度随着温度的升高快速增大.在较高温度时, 两个系统中的CL20在极短的时间内就完全分解, 然而在较低温度时(T=1500 K; T=1250 K), CL20/DNB共晶系统中的CL20分解速度明显低于CL20/TNT共晶系统.从图 6b可以看出, 在有限模拟时间内, DNB和TNT的演化趋势相似, 它们的分解速度随着温度的升高而增大, 在同等温度条件下, DNB的热分解速度小于TNT的热分解速度.所以CL20/DNB共晶的热稳定性要优于CL20/TNT共晶.由于DNB单晶感度比TNT单晶感度低, 从而导致CL20/DNB共晶的感度低于CL20/TNT共晶的热感度, 这也为将来合成新型共晶含能材料提供了方向.

    3    结论

    本文采用ReaxFF/lg反应力场对CL20单晶、DNB单晶、CL20/DNB共晶以及CL20/TNT共晶的热分解过程进行了模拟.研究结果表明CL20/DNB共晶中CL20的热分解速度要比DNB热分解速度快的多, 而CL20/DNB共晶中的CL20热分解速率比CL20单晶系统中的CL20热分解速率小, 因此CL20/DNB共晶的热感度低于CL20单晶的热感度, 从微观反应证明了共晶有效降低了CL20的热感度. CL20单晶和CL20/DNB共晶的热分解初始路径均为CL20中的N—NO2发生断裂, 随后笼状结构才发生破坏.通过反应动力学分析得到CL20和CL20/DNB共晶的活化能分别为Ea=159.29±36.13 kJ·mol-1Ea=179.34±69.58 kJ·mol-1. CL20/ DNB共晶的热稳定性优于CL20/TNT共晶的热稳定性.

    通过对CL20/DNB共晶和CL20单晶热分解过程的分析得到初始反应路径, 发现了可能导致CL20/DNB共晶中CL20分解速度减小的两个原因. (a) CL20/DNB共晶和CL20单晶中的CL20初始反应路径相似, 然而CL20/DNB共晶中的DNB分子在反应初期大量存在, 从而阻碍了CL20和其产生的中间产物之间的有效碰撞, 使CL20的热分解速度降低. (b) CL20/DNB共晶中最先参与反应的DNB分子并未发生分解, 而是和CL20以及其产物结合生成C6H4N3O6、C6H4N4O8和C10H10N14O16, 从而降低了CL20热分解的中间产物的浓度.从微观反应机理解释了CL20/DNB共晶的热感度低于CL20单晶的热感度.

    4    计算方法及细节

    图7 (a) DNB单晶、(b) CL20/DNB共晶、(c) CL20单晶以及(d) CL20/TNT共晶示意图

    Figure 7. Structures of (a) DNB crystal, (b) CL20/DNB co-crystal, (c) CL20 crystal and (d) CL20/TNT co-crystal

    首先采用uniform速度分布器, 在300 K条件下生成系统中所有原子的初始速度, 之后对原子位置进行优化, 获得最小能量结构系统.然后, 利用等温等压(NPT)系综把压力和温度控制在0 Pa和300 K的条件下进行5 ps的弛豫.得到四个模拟系统的参数与相应的实验参数比较, 如表 4所示.采用微正则系综(NVE), 通过Berendsen恒温器控制系统温度急剧加热, 分别在1000、1250、1500、1750、2000、2500和3000 K温度条件进行模拟, 持续时间为100 ps.通过耦合参数控制系统温度与热浴温度的耦合程度, 其中耦合参数和时间步长分别为10 fs和0.1 fs; 键级截断半径为0.3, 通过它的大小确定原子间是否成键, 当任意原子对的键级大于0.3时, 则认为新的化学键形成, 生成新分子, 键级小于0.3时, 旧的化学键断裂.

    表4 CL20、CL20/DNB共晶、DNB以及CL20/TNT共晶的晶胞参数 Table4. The lattice parameters of CL20, CL20/DNB co-crystal, DNB and CL20/TNT co-crystal
    材料样本 方法 晶格参数
    晶体密度ρ/
    (g·cm-3)
    a/ b/ c/
    CL20 ReaxFF/lg 1.871 8.986 12.755 13.578
    Ab initio 1.88 9.095 12.607 13.741
    Experiment 2.000 8.789 12.474 13.279
    CL20/DNB共晶 ReaxFF/lg 1.799 9.609 13.656 34.111
    Experiment 1.88 9.47 13.459 33.62
    DNB ReaxFF/lg 1.58 14.05 13.103 3.793
    Experiment 1.569 14.084 13.292 3.802
    CL20/TNT共晶 ReaxFF/lg 1.749 9.946 20.015 25.39
    Experiment 1.91 9.674 19.369 25.69
    表4 CL20、CL20/DNB共晶、DNB以及CL20/TNT共晶的晶胞参数
    Table4. The lattice parameters of CL20, CL20/DNB co-crystal, DNB and CL20/TNT co-crystal

    本文对CL20/DNB共晶、CL20/TNT共晶、CL20单晶以及DNB单晶系统进行研究, 采用实验测得的晶体参数CL20/DNB物质的量比1:1共晶单胞[11]、CL20/TNT物质的量比1:1共晶单胞[7]、CL20单胞[36]以及DNB单胞[37], 建立以下超胞系统, 见表 3. 图 7是DNB单晶、CL20单晶、CL20/DNB共晶以及CL20/TNT共晶的超胞结构示意图, 边界条件设为周期性边界条件.

    表3 CL20、CL20/DNB共晶、DNB以及CL20/TNT共晶超胞系统的参数 Table3. The parameters for supercell of CL20, CL20/DNB co-crystal, DNB and CL20/TNT co-crystal
    材料样本 xyz方向的
    晶胞数
    CL20分子数 DNB分子数 TNT分子数
    CL20 2×2×2 32
    CL20/DNB共晶 2×2×1 32 32
    DNB 2×2×4 64
    CL20/TNT共晶 2×1×1 16 16
    表3 CL20、CL20/DNB共晶、DNB以及CL20/TNT共晶超胞系统的参数
    Table3. The parameters for supercell of CL20, CL20/DNB co-crystal, DNB and CL20/TNT co-crystal
    1. [1]

      Nielsen, A. T. US Appl. 07/253106, 1988.

    2. [2]

      Nielsen, A. T.; Chafin, A. P.; Christian, S. L.; Moore, D. W.; Nadler, M. P.; Nissan, R. A.; Vanderah, D. J.; Gilardi, R. D.; George, C. F.; Flippen-Anderson, J. L. Tetrahedron 1998, 54, 11793. doi: 10.1016/S0040-4020(98)83040-8

    3. [3]

      Simpson, R. L.; Urtiew, P. A.; Ornellas, D. L.; Moody, G. L.; Scribner, K.; Hoffman, D. M. Propellants Explos. Pyrotech. 1997, 22, 249. doi: 10.1002/(ISSN)1521-4087

    4. [4]

      Ordzhonikidze, O.; Pivkina, A.; Frolov, Y.; Muravyev, N.; Monogarob, K. J. Therm. Anal. Calorim. 2011, 105, 529. doi: 10.1007/s10973-011-1562-1

    5. [5]

      郭长艳, 张浩斌, 王小川, 孙杰, 材料导报, 2012, 26(10), 49. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-CLDB201219013.htmGuo, C. Y.; Zhang, H. B.; Wang, X. C.; Sun, J. Mater. Rev. 2012, 26(10), 49 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-CLDB201219013.htm

    6. [6]

      Zhang, C. Y.; Cao, Y. F.; Li, H. Z.; Zhou, Y.; Zhou, J. H.; Gao, T.; Zhang, H. W.; Yang, Z. W.; Jiang, G. CrystEngComm 2013, 15, 4003. doi: 10.1039/c3ce40112j

    7. [7]

      Bolton, O.; Matzger, A. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8960. doi: 10.1002/anie.v50.38

    8. [8]

      杨宗伟, 张艳丽, 李洪珍, 周小清, 聂福德, 李金山, 黄辉, 含能材料, 2012, 20, 674. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HNCL201206004.htmYang, Z. W.; Zhang, Y. L.; Li, H. Z.; Zhou, X. Q.; Nie, F. D.; Li, J. S.; Huang, H. Chin. J. Energ. Mater. 2012, 20, 674 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HNCL201206004.htm

    9. [9]

      Bolton, O.; Simke, L. R.; Pagoria, P. E.; Matzger, A. J. Cryst. Growth Des. 2012, 12, 4311. doi: 10.1021/cg3010882

    10. [10]

      孙婷, 刘强, 肖继军, 赵峰, 肖鹤鸣, 化学学报, 2014, 72, 1036. doi: 10.6023/A14040295Sun, T.; Liu, Q.; Xiao, J. J.; Zhao, F.; Xiao, H. M. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 1036 (in Chinese). doi: 10.6023/A14040295

    11. [11]

      Wang, Y. P.; Yang, Z. W.; Li, H. Z.; Zhang, Q.; Wang, J. H.; Liu, Y. C. Propellants Explos. Pyrotech. 2014, 39, 590. doi: 10.1002/prep.201300146

    12. [12]

      公绪滨, 孙成辉, 庞思平, 张静, 李玉川, 赵信岐, 有机化学, 2012, 32, 486. doi: 10.6023/cjoc1104225Gong, X. B.; Sun, C. H.; Pang, S. P.; Zhang, J.; Li, Y. C.; Zhao, X. Q. Chinese J. Org. Chem. 2012, 32, 486 (in Chinese). doi: 10.6023/cjoc1104225

    13. [13]

      Xu, X. J.; Xiao, J. J.; Huang, H.; Li, J. S.; Xiao, H. M. Sci. China Ser. B 2007, 50, 737.

    14. [14]

      Isayev, O.; Gorb, L.; Qasim, M.; Leszczynski, J. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 11005. doi: 10.1021/jp804765m

    15. [15]

      Byrd, E. F. C.; Scuseria, G. E.; Chabalowski, C. F. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 13100. doi: 10.1021/jp0486797

    16. [16]

      许晓娟, 肖鹤鸣, 居学海, 贡雪东, 有机化学, 2005, 25, 536. http://mall.cnki.net/magazine/article/YJHU200505005.htmXu, X. J.; Xiao, H. M.; Ju, X. H.; Gong, X. D. Chin. J. Org. Chem. 2005, 25, 536 (in Chinese). http://mall.cnki.net/magazine/article/YJHU200505005.htm

    17. [17]

      Tian, Q.; Yan, G. Y.; Sun, G. G.; Huang, C. Q.; Xie, L.; Chen, B.; Huang, M.; Li, H. Z.; Liu, Y.; Wang, J. Cent. Eur. J. Energ. Mat. 2013, 10, 359.

    18. [18]

      Golofit, T.; Zyśk, K. J. Therm. Anal. Calorim. 2015, 119, 1931. doi: 10.1007/s10973-015-4418-2

    19. [19]

      刘海, 李启楷, 何远航, 物理学报, 2013, 62, 1. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WLXB201320067.htmLiu, H.; Li, Q. K.; He, Y. H. Acta Phys. Sin. 2013, 62, 1 (in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WLXB201320067.htm

    20. [20]

      刘海, 李启楷, 何远航, 物理学报, 2015, 64, 018201-1.Liu, H.; Li, Q. K.; He, Y. H. Acta Phys. Sin. 2015, 64, 018201-1 (in Chinese).

    21. [21]

      Furman, D.; Kosloff, R.; Dubnikova, F.; Zybin, S. V.; Goddard, W. A. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4192. doi: 10.1021/ja410020f

    22. [22]

      Cheng, T.; Jaramillo-Botero, A.; Goddard, W. A.; Sun, H. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9434. doi: 10.1021/ja5037258

    23. [23]

      杨镇, 何远航, 物理化学学报, 2016, 32, 921.Yang, Z.; He, Y. H. Acta Phys.-Chim. Sin. 2016, 32, 921 (in Chinese).

    24. [24]

      Yang, Z.; Liu, H.; He, Y. H. Acta Phys. Chim. Sin. 2016, doi: 10.3866/PKU.WHXB201604293

    25. [25]

      刁智俊, 赵跃民, 陈博, 段晨龙, 化学学报, 2012, 70, 2037. doi: 10.6023/A12070451Diao, Z.; Zhao, Y.; Chen, B.; Duan, C. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 2037 (in Chinese). doi: 10.6023/A12070451

    26. [26]

      http://lammps.sandia.gov/ (accessed Mar. 21, 2016).

    27. [27]

      Gonzalez, A. C.; Larson, C. W.; McMilen, D. F.; Golden, D. M. J. Phys. Chem. 1985, 89, 4809. doi: 10.1021/j100268a030

    28. [28]

      Fields, E.; Meyerson, S. J. Org. Chem. 1972, 37, 3861. doi: 10.1021/jo00797a021

    29. [29]

      Fang, M.; Li, Z.; Fu, Y. Chinese J. Chem. 2008, 26, 1122. doi: 10.1002/cjoc.v26:6

    30. [30]

      Rice, B. M.; Sahu, S.; Owens, F. L. J. Mol. Struct. (Theochem). 2002, 583(1-3), 69. doi: 10.1016/S0166-1280(01)00782-5

    31. [31]

      Shao, J. X.; Cheng, X. L.; Yang, X. D. Struct. Chem. 2006, 17, 547. doi: 10.1007/s11224-006-9106-1

    32. [32]

      Wang, G.; Gong, X.; Liu, Y.; Xiao, H. Chinese J. Chem. 2009, 27, 1669.

    33. [33]

      Turcotte, R.; Vachon, M.; Kwok, Q. S. M.; Wang, R.; Jone, D. E. G. Thermochim. Acta 2005, 433(1-2), 105. doi: 10.1016/j.tca.2005.02.021

    34. [34]

      Nair, U. R.; Sivabalan, R.; Gore, G. M.; Geetha, M.; Asthana, S. N.; Singh, H. Combust. Explos. Shock Waves 2005, 41, 121. doi: 10.1007/s10573-005-0014-2

    35. [35]

      Nedelko, V. V.; Chukanov; Raevskii, A. V.; Korsounskii, B. L.; Larikova, T. S.; Kolesova, O. I. Propellants Explos. Pyrotech. 2000, 25, 255. doi: 10.1002/(ISSN)1521-4087

    36. [36]

      Meent, A.; Dittrich, B.; Johnas, S. K. J.; Thome, V.; Weckert, E. F. Acta Crystallogr. Sect. B: Struct. Sci. 2008, 64, 42. doi: 10.1107/S0108768107055292

    37. [37]

      Wojcik, G.; Mossakowska, I.; Holband, J.; Bartkowiak, W. Acta Crystallogr. B 2002, 58, 998. doi: 10.1107/S0108768102015033

  • 图 1  CL20、DNB和TNT的分子结构图

    Figure 1  The structures of CL20, DNB and TNT

    图 2  CL20、DNB和CL20/DNB系统的势能演化曲线

    Figure 2  Time evolution of potential energy for CL20, DNB and CL20/DNB system

    The potential energy at t=0 ps is set to be zero. Illustrations are evolution of potential energy in 0~2 ps

    图 3  (a)不同温度下CL20/DNB共晶和CL20中CL20的历时曲线; (b)不同温度下CL20/DNB共晶和DNB中DNB的历时曲线

    Figure 3  (a) Time evolution of CL20 for CL20/DNB co-crystal and CL20 at various temperatures; (b) Time evolution of DNB for CL20/DNB co-crystal and DNB at various temperatures

    Illustration is evolution of CL20 for CL20/DNB co-crystal and CL20 in 0~5 ps

    图 4  不同温度下主要产物随时间变化曲线

    Figure 4  Evolution of products at various temperatures

    图 5  NO2裂解反应速率与温度的倒数(1500~3000 K)

    Figure 5  NO2 fission reaction rate vs inverse temperature in the 1500~3000 K

    图 6  (a)不同温度下CL20/DNB共晶和CL20/TNT共晶中CL20的历时曲线; (b)不同温度下CL20/DNB共晶中DNB的历时曲线和CL20/TNT共晶中TNT的历时曲线

    Figure 6  (a) Time evolution of CL20 for CL20/DNB co-crystal and CL20/TNT co-crystal at various temperatures; (b) Time evolution of DNB for CL20/DNB co-crystal and time evolution of TNT for CL20/TNT co-crystal at various temperatures

    图 7  (a) DNB单晶、(b) CL20/DNB共晶、(c) CL20单晶以及(d) CL20/TNT共晶示意图

    Figure 7  Structures of (a) DNB crystal, (b) CL20/DNB co-crystal, (c) CL20 crystal and (d) CL20/TNT co-crystal

    表 1  CL20、CL20/DNB、DNB以及CL20/TNT的爆轰性能[11]

    Table 1.  Detonation properties for CL20, CL20/DNB co-crystal, DNB and CL20/TNT co-crystal

    材料样本 晶体密度ρ/(g·cm-3) 爆速D/(m·s-1) 爆压P/GPa
    CL20 2.044 9386 45.09
    CL20/DNB共晶 1.88 8434 34.07
    DNB 1.575 5840 14.18
    CL20/TNT共晶 1.846 8466 33.8
    下载: 导出CSV

    表 2  CL-20和CL-20/DNB共晶NO2的裂解反应速率常数(1012 s-1)

    Table 2.  The NO2 fission reaction rate constant of CL-20 crystal and CL-20/DNB co-crystal

    温度/K CL-20 CL-20/DNB共晶
    3000 0.6848 0.6322
    2500 0.5706 0.4902
    2000 0.1944 0.1818
    1500 0.0545 0.0228
    下载: 导出CSV

    表 3  CL20、CL20/DNB共晶、DNB以及CL20/TNT共晶超胞系统的参数

    Table 3.  The parameters for supercell of CL20, CL20/DNB co-crystal, DNB and CL20/TNT co-crystal

    材料样本 xyz方向的
    晶胞数
    CL20分子数 DNB分子数 TNT分子数
    CL20 2×2×2 32
    CL20/DNB共晶 2×2×1 32 32
    DNB 2×2×4 64
    CL20/TNT共晶 2×1×1 16 16
    下载: 导出CSV

    表 4  CL20、CL20/DNB共晶、DNB以及CL20/TNT共晶的晶胞参数

    Table 4.  The lattice parameters of CL20, CL20/DNB co-crystal, DNB and CL20/TNT co-crystal

    材料样本 方法 晶格参数
    晶体密度ρ/
    (g·cm-3)
    a/ b/ c/
    CL20 ReaxFF/lg 1.871 8.986 12.755 13.578
    Ab initio 1.88 9.095 12.607 13.741
    Experiment 2.000 8.789 12.474 13.279
    CL20/DNB共晶 ReaxFF/lg 1.799 9.609 13.656 34.111
    Experiment 1.88 9.47 13.459 33.62
    DNB ReaxFF/lg 1.58 14.05 13.103 3.793
    Experiment 1.569 14.084 13.292 3.802
    CL20/TNT共晶 ReaxFF/lg 1.749 9.946 20.015 25.39
    Experiment 1.91 9.674 19.369 25.69
    下载: 导出CSV
  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  1199
  • HTML全文浏览量:  173
文章相关
  • 收稿日期:  2016-03-22
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章