
图1 CL20、DNB和TNT的分子结构图
Figure 1. The structures of CL20, DNB and TNT
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 |
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]用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.
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.
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.
从图 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.
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-1和A=1.1×1013, 这与实验得到的Ea=150~200 kJ·mol-1、A=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-1和A=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.
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 |
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.
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
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.
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-1和Ea=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.
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.
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 |
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.
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 |
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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 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
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 |
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 |
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 |
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 |