含孔洞缺陷的δ-HMX晶体的分子动力学模拟（英文）

采用分子动力学(MD)方法,模拟了δ-HMX晶体中的孔洞缺陷演化和分子构象变换,并与β相对比。模拟体系包含一个大小为30个HMX分子的孔洞缺陷,对应10%的空位浓度。采用QST3法计算了分子构象在真空中的转换能垒,结果表明,所有的构象转换均具有较低的活化能。当模拟温度为500 K时,不管是δ相还是β相,整个晶体均塌陷成液态,并伴随大的晶格膨胀。在塌陷的液态分子中,可观察到四种分子构象α,β,BB和BC,同时与这四种分子构象共存的还有大量的过渡态或中间体结构。在MD模拟过程中,跟踪单个分子随时间的演化,能发现分子在不同构象间频繁转变,这是较低的转换能垒所致。当模拟温度降低到300 K和200 K时,两个晶相(β和δ)表现出不同的演化趋势。对δ-HMX体系,在发生孔洞塌陷的同时,整个晶格也失去了严格的周期结构,但是嵌在β-HMX晶格中的孔洞却被保留下来,仅发生了孔洞的收缩和少量分子向孔洞中心的迁移。此外,与δ-HMX的晶格收缩相反,β-HMX的晶格随模拟温度升高持续膨胀。     

HMX热膨胀系数的分子动力学模拟研究

首先通过分子动力学(MD)模拟考察了COMPASS力场对HMX的适用性。然后通过对β-HMX(4×2×3)超晶胞在常压205～385K温度范围七个不同温度的NPT系综MD模拟,计算出β-HMX晶体晶胞参数的变化,并通过线性拟合求得β-HMX晶体沿不同棱边a、b、c方向的线膨胀系数和它的体膨胀系数,结果与先前的实验和理论工作相符。     

3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯和黑索今对β-奥克托金晶体形貌影响的分子动力学模拟研究

采用Material Studio软件和分子动力学（MD）方法模拟了β-奥克托金（HMX）晶体生长形貌。采用双层结构模型,模拟了钝感含能化合物3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮（NTO）、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯（FOX-7）和黑索今（RDX）对β-HMX晶体形貌的影响,以及3种分子对于β-HMX晶面的附着包覆作用。研究结果表明,3种分子都可附着在β-HMX的生长晶面上,其中FOX-7可以较为均匀地附着在β-HMX晶面,有望实现高能钝感包覆,但是对于β-HMX晶体形貌的影响不大;NTO与RDX分子在β-HMX各晶面的结合能存在差异,可一定程度控制HMX的晶形,其中RDX可以使β-HMX晶体形貌趋于球形化。     

3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮、1,1-二氨基-2b,2-二硝基乙烯和黑索今对β-奥克托金晶体形貌影响的分子动力学模拟研究

采用Material Studio软件和分子动力学(MD)方法模拟了β-奥克托金(HMX)晶体生长形貌。采用双层结构模型,模拟了钝感含能化合物3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)和黑索今(RDX)对β-HMX晶体形貌的影响,以及3种分子对于β-HMX晶面的附着包覆作用。研究结果表明,3种分子都可附着在β-HMX的生长晶面上,其中FOX-7可以较为均匀地附着在β-HMX晶面,有望实现高能钝感包覆,但是对于β-HMX晶体形貌的影响不大;NTO与RDX分子在β-HMX各晶面的结合能存在差异,可一定程度控制HMX的晶形,其中RDX可以使β-HMX晶体形貌趋于球形化。     

HMX/DMF溶剂化物结构和分子间相互作用的理论研究

采用量子化学计算和分子动力学(MD)模拟,研究了溶剂化物环四亚甲基四硝胺(HMX)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的结构和分子间相互作用。对浸渍在DMF溶剂中的β-HMX分子的MD模拟表明,HMX的分子构象已经从β转变为α相。在M P2/6-31G*水平上的理论计算也说明,在D M F溶剂中,α-HM X比β-HM X更稳定。这解释了在HM X/D M F溶剂化物的多晶型中,所有的HMX分子均呈α构象的原因。采用MP2/6-31G*方法,对α-HMX和DMF分子间可能的同型和异型二聚体进行结构优化。结果表明,组分间存在C—H…O氢键相互作用,并且α-HMX/DMF的稳定化能非常接近α-HMX/α-HMX,并远远大于D M F二聚体的。这意味着异型分子间力可和同型分子间力竞争。从热力学的观点来看,共结晶过程可能发生。对α-HM X在D M F中的过饱和溶液的M D模拟表明,分子间相互作用对共结晶有利。这些理论研究对理解在HM X的D M F溶液中为什么发生的是共结晶而不是重结晶提供了有价值的信息。     

HMX状态方程与弹性性能的分子动力学研究

利用COMPASS力场，采用NPT系综对β-HMX晶体进行了温度为295K，压力为0—27GPa的分子动力学模拟并进行静态力学分析。研究了β-HMX的压缩各向异性，得到了295K下β-HMX的等温线，用不同状态方程对结果进行拟合，求得了零压下β-HMX体积模量民及其关于p的一阶导数K＇0。计算结果表明，用不同方程拟合得到的K0和K＇0存在差异。通过静态力学分析，得到了弹性系数以及各模量随压力的变化情况，通过对G／K与C12-C44（柯西压）的研究发现JB-HMX的硬度随着压力的增大而增大，在大压力作用下材料由脆性到韧性转变。     

烤燃作用下的HMX单晶各向异性力学响应及相变

为研究奥克托今(HMX)单晶的固态相变对变形的影响,在考虑非线弹性和位错理论的晶体塑性本构基础上,发展了考虑温度相关相变的晶体塑性本构(β→δ相变)。利用有限元计算程序ABAQUS和子程序的软件代码VUMAT,模拟了相变在烤燃下的演变过程。结果表明,相变是可逆的,但是路径却不同。当晶体从δ相变为β相时,样品中有残余应力和应变产生。此外,当发生β→δ相变时,会有裂纹产生,并且裂纹不会消失。温度均匀化有利于发生相变,且相变的传播与温度的传播一致。β→δ相变会导致体积的膨胀,且由于δ相的热膨胀系数比β相大,相变后体积膨胀会更快,因此会导致内应力的快速增大,从而启动滑移系。由于HMX单晶的各向异性热膨胀,相变后晶体在第三主方向上更容易生成裂纹,从而容易形成热点,因此β→δ相变会导致HM X晶体在烤燃下更加敏感。     

粉末X射线衍射内标法研究丙酮溶液中β-HMX的晶习

为了研究β-HMX晶体在丙酮溶液中的晶习,采用丙酮溶剂挥发法制备了β-HMX大单晶,利用粉末Ge O_2作为内标物质,通过粉末X射线衍射内标法,确定了β-HMX晶体所有显露面的晶面指数,从实验上建立了β-HMX在丙酮溶液中的晶习模型,并与文献报道的利用不同生长模型模拟得到的晶习模型进行了比较。β-HMX晶体各个显露面的晶面指数分别为(1 0 0)、(0 1 1)、(-1 1 1)和(0 2 0),其中(1 0 0)晶面为最优生长面,其次为(0 1 1)、(-1 1 1)晶面,再次为(0 2 0)晶面,与溶剂校正后的AE模型模拟得到的β-HMX晶体在丙酮溶液中的晶习模型相符。丙酮分子与β-HMX晶体的(1 1 0)和(0 2 0)晶面的相互作用较弱,导致随晶体生长,(1 1 0)和(0 2 0)晶面逐渐消失,证明溶剂环境对HMX的晶体形貌具有很大的影响。     

FOX-7在有限温度下的热力学性质的理论计算

为了研究温度加载下含能材料的基础物性与分子间相互作用机制,基于准简谐近似,采用色散修正的密度泛函理论研究有限温度下FOX-7的晶体结构和热力学性质。通过引入零点能和温度效应修正可以显著提高实验温度下晶格参数的准确性,计算的晶格参数与实验值的误差在1%以内,在0~500 K温度范围内,FOX-7晶胞体积随温度的变化与现有实验值相比较为合理,其误差主要源自声子间相互作用的缺失。进一步,计算了不同条件下的热容、熵以及体积模量等基础热力学参数。结果表明：FOX-7的晶格参数和热膨胀系数均表现出强烈的各向异性,尤其是分子层间方向的膨胀率远高于分子层内方向。当温度达到200 K后,由硝基旋转引起的分子间相互作用变化使得晶体的热膨胀系数开始收缩,进而可能诱发FOX-7潜在的结构相变。绝热条件下的体模量与实验测量值符合较为合理,且体模量随温度的演化反映了FOX-7在有限温度下的软化行为。随着温度的升高,计算的热容和熵均逐渐增大,且等容和等压条件下的热容和熵受非谐作用影响表现出明显的数值差异。     

HMX晶体颗粒微结构的原位变温X射线小角散射

为了研究温度作用下奥克托今(HMX)晶体的微结构演化和热安定性,使用原位变温X射线小角散射(SAXS)和广角散射(WAXS),对比研究了平均粒径为5μm和20μm两种HMX晶体颗粒的缺陷演化和相变行为。WAXS结果表明,HMX(5μm)的β→δ相变起始温度为194℃,比HMX(20μm)的相变起始温度高8℃。Guinier定理拟合分析表明,两种HMX晶体在150℃均开始生成微缺陷,其回转半径约为0.9 nm;随温度升高,微缺陷的体积分数增加,高温下生成的微缺陷在降温过程不会消失;HMX(20μm)的微缺陷含量高于HMX(5μm)。微缺陷的累积会导致HMX晶体内部生成微裂纹,甚至发生开裂。SAXS、WAXS和扫描电镜观测结果均表明HMX(5μm)具有更为优异的热安定性。讨论了微缺陷的生成机制,以及微缺陷对HMX感度的潜在影响。     

相变与微裂纹对HMX晶体高温下撞击感度的影响机制

为了研究高温下炸药撞击安全性中存在的多因素耦合问题,设计了高温炸药撞击感度试验装置,并建立了高温炸药撞击感度试验方法。结合扫描电镜和X射线衍射技术,采用所建立的试验方法,研究了奥克托今(HMX)晶体颗粒高温撞击过程下的响应。结果表明,随着温度升高,HMX晶体颗粒的落锤撞击感度逐渐升高。同时,HMX晶体品质随着温度升高逐渐变差,140℃时有少部分晶体碎裂,180℃时较多的晶体碎裂,当达到200℃时,HMX晶体全部碎裂;HMX的β→δ相变发生在184～186℃。降至常温后δ相晶体逐渐恢复为β相,撞击过程有助于β相的恢复。影响热加载前后HMX晶体颗粒撞击感度的主导因素包括温升、微裂纹和相变,不同影响因素起作用的温度段是不同的。     

HMX重结晶过程中的晶型析出与转变研究

以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,水为非溶剂,通过采用溶剂非溶剂重结晶细化中的正加法与反加法,研究了HMX重结晶过程中的晶型转变,提出了晶型析出与转变的方式。研究表明溶剂非溶剂比例是重结晶晶型的决定性因素,在溶剂非溶剂任意比例下,晶体首先析出γ-HMX,溶剂过量时γ-HMX转晶为β-HMX,溶剂非溶剂相当时,转晶为α-HMX,非溶剂过量则保持γ晶型。     

溶剂及两种超临界工艺对 HMX 形貌和晶型的影响

采用5种有机溶剂分别运用超临界流体增强溶液扩散技术(SEDS法)和超临界反溶剂技术(GAS法)对HMX进行重结晶细化。结果表明:SEDS法不能成功制得β-HMX,大都为γ-HMX结晶;当以丙酮或DMSO为有机溶剂时,在合适的工艺条件下GAS可得到β-HMX;环己酮或乙腈为溶剂时GAS工艺制得的HMX为γ-型,NMP作溶剂时为δ-型。     

HMX晶体加工及力学性能模拟

通过分析HMX晶体的精加工过程,发现切割速度对晶体的加工质量有重要影响,而且速度大小需要随着温度和晶面的变化而不断调整。采用分子动力学(MD)方法,在COMPASS力场下模拟了HMX晶体(011)和(010)晶面在不同温度下的力学性能。结果表明:随着温度的升高,晶面的杨氏模量(E)、体积模量(K)、剪切模量(G)、K/G呈先上升后下降趋势,说明HMX晶体的刚度、断裂强度、硬度、韧性均随温度升高而先升高后下降,其中(011)面和(010)面的各模量分别在308K、298K达最大值,预测(011)面的最优加工温度在308K左右,(010)面的最优加工温度在298K左右,这与实际加工过程相符。     

α-CL-20和CL-20/H2O2中溶剂分子的扩散特性及其对共晶分解影响的分子动力学模拟

为了研究H₂O和H₂O₂溶剂分子对含能共晶热稳定性的影响机制,采用分子动力学(MD)模拟方法对α-CL-20和CL-20/H₂O(2正交、单斜)中溶剂分子的扩散行为及其热解机理进行了研究。结果表明,H₂O和H₂O₂都会随着温度的升高从晶胞中扩散出来,其中H₂O分子扩散得更快;温度低于500 K时单斜晶型CL-20/H₂O₂晶格框架具有阻碍溶剂分子H₂O₂扩散的作用,而温度高于500 K时,这种阻碍作用将不复存在。热分解过程中,α-CL-20释能最慢,且其中CL-20的分解也是最慢的;温度低于1500 K时,溶剂分子对含能组分热解呈现出一定的稳定化作用,但此作用随着温度的升高而消失。此外,溶剂的存在能明显增加晶格能。     

α-HMX的太赫兹波吸收特性及理论计算

为完善多晶型HMX光谱学表征,利用太赫兹时域光谱技术开展了α-HMX的太赫兹光谱实验与分析研究。得到了α-HMX的太赫兹吸收光谱与吸收特征峰。以密度泛函理论多种函数模型为基础,开展了α-HMX的分子振动频率计算工作,并对比了各函数模型下的计算值与实验值。结果表明,计算所得α-HMX分子振动频率与太赫兹实验光谱有较好的一致性,太赫兹吸收光谱中的特征峰的形成与分子振动密切相关。α-HMX晶体0.82THz吸收频率是由一对硝基对称摆动形成,1.51THz吸收频率是由另一对硝基对称摆动形成,而1.93THz吸收频率的形成来源于硝基的摆动、扭动以及C—H键的扭动等行为。     

硝基胍晶体各向异性热膨胀（英文）

利用原位粉末X射线衍射法和原位红外光谱法研究了硝基胍(NQ)晶体的热膨胀。结果表明,在30~160℃内硝基胍a-、b-、c-轴的平均膨胀系数分别12.9×10~(-6),~(-1) 0.1×10-6℃~(-1) 和145.5×10~(-6)℃~(-1) ,显示NQ晶体热膨胀呈明显各向异性,且b轴呈负膨胀。NQ的各向异性热膨胀由其各向异性分子间作用引起。随温度升高NQ分子间氢键减弱,分子间距离增大,减少了NQ分子沿b轴的空间位阻,从而在分子间作用力下沿b轴收缩,导致了负膨胀。该结果有助于理解炸药分子堆积对其物理性能的影响。     

TNAZ的第一原理分子力学力场

分子力学力场的适用性和准确性是制约分子模拟应用的瓶颈。本文依照TEAM力场的研发思想,推导了1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)的全原子第一原理分子力学力场。键参数和电荷参数拟和自第一性原理计算结果,范德华参数迁移自文献报道并通过模拟TNAZ液相密度和蒸发焓进行了优化。通过分子力学、分子动力学模拟,计算了TNAZ分子的气相、液相和晶相性质对参数进行了验证。验证结果显示气相分子的结构、能量、振动性质,液相的密度、蒸发焓,晶体结构、晶格能等结果与实验测定一致。同时预测了TNAZ晶体的热胀性质、等温压缩等性质。模拟得到的热胀曲线在整个凝聚相内显示出三个具有不同热胀率的区段。其中300K下TNAZ晶体体积较400K下减小约13%,与实验观测吻合。300K下等温压缩到10GPa,体积减小约28%,与文献报道的理论值一致。     

炸药中热点形成的数值模拟

用SPH方法对PBX-9404中由于孔洞在冲击作用下坍塌形成热点的过程进行了数值模拟.得到孔洞在冲击波作用下坍塌过程的图象,由于坍塌作用引起孔洞周围介质压力和温度的变化.由于冲击作用引起的变形孔洞周围的介质温度升高,孔洞周围介质的碰撞使温度进一步升高,从而形成热点.当冲击波压力较高时,孔洞周围介质的碰撞使温度大幅提高,当冲击压力较低时,碰撞的引起的升温不明显.     

硝基胍晶体各向异性热膨胀（英）

利用原位粉末X射线衍射法和原位红外光谱法研究了硝基胍(NQ)晶体的热膨胀。结果表明, 在30~160 ℃内硝基胍a-、b-、c-轴的平均膨胀系数分别12.9×10^-6,-10.1×10^-6 ℃^-1和145.5×10^-6 ℃^-1, 显示NQ晶体热膨胀呈明显各向异性,且b轴呈负膨胀。NQ的各向异性热膨胀由其各向异性分子间作用引起。随温度升高NQ分子间氢键减弱,分子间距离增大,减少了NQ分子沿b轴的空间位阻,从而在分子间作用力下沿b轴收缩,导致了负膨胀。该结果有助于理解炸药分子堆积对其物理性能的影响。