含能化合物低耐热性机理的分子动力学模拟研究

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耐热性是含能材料的一个基本而又重要的特性,在含能材料的发展和使用过程中一直受到人们的关注。与清晰的高耐热性含能化合物演化机理相比,目前低耐热性含能化合物演化机理仍不清楚,尤其是在特殊环境下涉及到的反应机理繁琐,在实验上研究化学反应和物理变化的耦合过程是一个巨大的难题,因此开展含能化合物低耐热性机理的理论研究具有重要意义。本文围绕三类低耐热性含能化合物:硝仿类炸药,CL-20溶剂化物和羟胺含能离子盐,利用分子动力学(MD)方法结合密度泛函理论(DFT)对其热稳定性和反应机理进行了研究。主要研究内容如下:(1)采用Reax FF-lg反应力场模拟了TNMA、BTNEDA、BTNNA、BTNF和TNETB五种硝仿类炸药在程序升温300-2700 K和四种恒温1500 K、1800 K、2000 K和2500 K条件下的热分解机理。模拟结果与PETN和TATB热解机理相比,硝仿类炸药和PETN在加热过程中随着NO2的快速解离进一步分解形成一系列小分子片段直至终产物,然而,耐热炸药TATB的初始分解主要为分子间反应和形成团簇。因此,快速碎片化最终导致硝仿类含能化合物的低耐热性。(2)基于MD模拟了含能溶剂化物CL-20/H2O2和α-CL-20在受到热刺激时的扩散行为和热解机理。结果表明低温加热过程中溶剂分子会扩散出晶胞,其中α-CL-20中H2O分子扩散的最快,单斜CL-20/H2O2中的H2O2分子具有较好的抗迁移能力;热解MD模拟显示溶剂分子的存在能够在低温下保持共晶组分的稳定性,高温下这种作用消失。其次通过DFT计算表明溶剂的存在能够增加晶胞的晶格能。(3)运用从头算分子动力学(AIMD)模拟了程序升温300-3500 K下羟胺含能离子盐NH3OH-DNABF和NH3OH-DNBTO的热解机理和演化过程。模拟结果表明两种含能离子盐的初始热分解均为羟胺阳离子上氢原子的消去,NH3OH-DNABF分解产生NO2的路径为N-NO2键的断裂,NH3OH-DNBTO分解产生的NO2是自由基相互组合的结果而不是由C-NO2键断裂形成。DFT计算表明羟胺阳离子的氢转移对NO2的解离起到抑制作用。对三种低耐热性含能化合物的MD热解模拟研究,能够为耐热炸药的合成和发展提供思路和参考。
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