CL-20/HMX共晶及其为基PBX界面作用和力学性能的MD模拟研究

为提高共晶炸药的实际使用价值, 改善其安全性和力学性能, 以CL-20/HMX共晶炸药为基, 分别添加2种高聚物粘结剂Estane 5703(聚氨基甲酸乙酯)和HTPB(端羟基聚丁二烯), 共构建两种共晶基高聚物粘结炸药(PBX)模型, 进行细致的295 K NPT分子动力学(MD)模拟研究. 通过两种PBX模型及其与该共晶炸药的MD模拟结果比较表明, 与基炸药之间的结合能Estane 5703大于HTPB, 预示含少量Estane 5703的PBX稳定性和相容性更佳; 对相关函数g(r)揭示粘结剂与基炸药界面相互作用的方式, 以基炸药中H分别与Estane 5703中羰基O和HTPB中端羟基O之间的氢键较强. 与CL-20/HMX共晶炸药相比, 少量粘结剂Estane 5703或HTPB的加入, 使弹性系数C_ij下降, 拉伸模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)均显著减小, 而泊松比(ν), 柯西压(C₁₂－C₄₄)和K/G值明显增大, 表明PBXs体系刚性减小, 延展性增强, 力学性能大为改善. 少量粘结剂包覆使PBXs致钝, 主要归因于其隔热、吸热并使体系变“软”的缓冲作用, 而界面作用造成的分子结构引发键键长变化变为次要因素.     

Molecular dynamics simulations on the structures and properties of ε-CL-20-based PBXs——Primary theoretical studies on HEDM formulation design

Five polymer bonded explosives (PBXs) with the base explosiveε-CL-20 (hexanitrohexaazaisowurtzitane), the most important high energy density compound (HEDC), and five polymer binders (Estane 5703, GAP, HTPB, PEG, and F2314) were constructed. Molecular dynamics (MD) method was employed to investigate their binding energies (Ebind), compatibility, safety, mechanical properties, and energetic properties. The information and rules were reported for choosing better binders and guiding formulation design of high energy density material (HEDM). According to the calculated binding energies, the ordering of compatibility and stability of the five PBXs was predicted as ε-CL-20/PEG ＞ ε-CL-20/ Estane5703 ≈ε-CL-20/GAP ＞ ε-CL-20/HTPB ＞ ε-CL-20/F2314. By pair correlation function g(r) analyses, hydrogen bonds and vdw are found to be the main interactions between the two components. The elasticity and isotropy of PBXs based ε-CL-20 can be obviously improved more than pure ε-CL-20 crystal. It is not by changing the molecular structures of ε-CL-20 for each binder to affect the sensitivity. The safety and energetic properties of these PBXs are mainly influenced by the thermal capability (C°p) and density (ρ) of binders, respectively.     

Molecular dynamics simulations on the structures and properties of ε-CL-20-based PBXs ——Primary theoretical studies on HEDM formulation design

Five polymer bonded explosives (PBXs) with the base explosive ε-CL-20 (hexanitrohexaazaisowurtzi- tane), the most important high energy density compound (HEDC), and five polymer binders (Estane 5703, GAP, HTPB, PEG, and F2314) were constructed. Molecular dynamics (MD) method was employed to investigate their binding energies (Ebind), compatibility, safety, mechanical properties, and energetic properties. The information and rules were reported for choosing better binders and guiding formula- tion design of high energy density material (HEDM). According to the calculated binding energies, the ordering of compatibility and stability of the five PBXs was predicted as ε-CL-20/PEG > ε-CL-20/ Estane5703 ≈ε-CL-20/GAP > ε-CL-20/HTPB > ε-CL-20/F2314. By pair correlation function g(r) analyses, hydrogen bonds and vdw are found to be the main interactions between the two components. The elasticity and isotropy of PBXs based ε-CL-20 can be obviously improved more than pure ε-CL-20 crystal. It is not by changing the molecular structures of ε-CL-20 for each binder to affect the sensitivity. The safety and energetic properties of these PBXs are mainly influenced by the thermal capability (C°p) and density (ρ) of binders, respectively.     

分子动力学模拟浓度和温度对TATB/PCTFE PBX力学性能的影响

为探讨高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive, PBX)的力学性能随温度和高聚物浓度而变化的规律, 用分子动力学(MD)方法和compass力场, 对著名高能炸药1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)与常用高聚物粘结剂聚三氟氯乙烯(PCTFE)所构成的TATB/PCTFE PBX进行模拟计算. 结果表明, 在一定范围内, 随高聚物浓度的增加, PBX的弹性系数和模量减小, 表明其刚性减小、弹性增加; 而随温度的升高, PBX的刚性减小、弹性增强. 还发现PBX的结合能随浓度增高而增大, 随温度升高而减小.     

PETN基PBX结合能和力学性能的理论研究

PETN(季戊四醇四硝酸酯)是著名的硝酸酯类猛炸药,用量子力学(QM)、分子力学(MM)和分子动力学(MD)方法,计算模拟其与高聚物组成的PBX(高聚物粘结炸药)的结合能和力学性能.以AM1-MO法和MM方法取PETN与系列高聚物的尺寸匹配原子簇模型,经几何全优化计算,发现两种方法求得的结合能彼此线性相关.对PETN超晶胞及其与系列氟聚物组成的双组分PBX,实施COMPASS力场下的分子动力学(MD)周期性模拟,求得其弹性系数、拉伸模量、体模量、剪切模量和泊松比,发现添加少量高聚物确能有效改善炸药的力学性能.     

TATB基PBX结合能和力学性能的理论研究

以SCF-MO-AM1方法和MM-COMPASS力场, 对TATB (1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯)与系列高聚物组成的PBX(高聚物粘结炸药)尺寸匹配原子簇, 分别进行全优化几何构型计算, 发现两种方法求得的结合能存在良好的线性关系. 对TATB (3×3×4)超晶胞及其与系列氟聚物组成的双组分PBX, 实施COMPASS力场下的分子动力学(MD)周期性模拟计算, 首次求得其弹性系数、模量和泊松比, 发现添加少量高聚物即能有效改善炸药的力学性能.     

CL-20/TNT共晶炸药的分子动力学研究

运用分子动力学(MD)方法,选择凝聚态分子势能优化力场(COMPASS),对六硝基六氮杂异伍兹烷(ε-CL-20)、2,4,6-三硝基甲苯(TNT)晶体及其等摩尔比的CL-20/TNT混合炸药和共晶炸药进行不同温度下恒定粒子数等压等温(NPT)系综模拟研究.结果表明,CL-20/TNT共晶的内聚能密度(CED)和结合能随温度的升高逐渐减小;共晶的CED比混合炸药的大,结合能是混合炸药的2倍多,预示其稳定性明显增强.对相关函数和局部放大结构显示共晶中组分分子间作用主要来自TNT中H和CL-20中O以及CL-20中H和TNT中O之间形成的氢键.通过波动法求得的弹性力学性能结果表明,CL-20/TNT共晶的拉伸模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)介于ε-CL-20和TNT晶体之间,且随温度的升高而下降,符合一般预期;但共晶炸药的柯西压(C12-C44,Cij弹性系数)、K/G和泊松比(ν)均比其组分炸药ε-CL-20和TNT高得多,预示该共晶具有异常高的延展性和弹性伸长,主要是二组分呈层状交替排列且之间存在较强相互作用所致.     

TATB/氟聚物PBX沿不同晶面力学性能的分子动力学模拟

用分子动力学(MD)方法, 模拟计算了著名钝感炸药TATB(1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6-三硝基苯)与四种氟聚合物[聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、氟橡胶(F₂₃₁₁)、氟树脂(F₂₃₁₄)]构成的高聚物粘结炸药(PBX)的力学性能. 结果表明, 在TATB中添加少量氟聚物能有效改善其力学性能; 沿TATB不同晶面与氟聚物“粘结”, 构成PBX的力学性能有所不同, 改善力学性能的整体效应为(010)≈(100)>(001).     

TATB基PBX结合能的分子动力学模拟

用分子动力学（MD）方法, 模拟计算了四种氟聚合物(聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚三氟氯乙烯（PCTFE）、氟橡胶（F₂₃₁₁)、氟树脂(F₂₃₁₄))与TATB(1,3,5- 三氨基- 2,4,6- 三硝基苯)晶体的相互作用. 结果发现, 四种氟聚物与TATB的结合能大小排序为PVDF>F₂₃₁₁>F₂₃₁₄>PCTFE, 各氟聚物在TATB不同晶面上的结合能大小排序为(001)>(010)>(100), 结合能主要由分子间氢键决定.     

HMX和HMX/HTPB PBX的晶体缺陷理论研究

建立空位和掺杂点缺陷模型, 用分子动力学(MD)方法, 研究晶体缺陷对β-环四亚甲基硝胺(HMX)和β-HMX/HTPB(端羟基聚丁二烯)高聚物粘结炸药(PBX)的力学性能和爆炸性能的影响. 结果表明, 相对于HMX“完美”晶体(1)考察缺陷晶体(2和3), 以及相对于HMX完美晶体基PBX(1)考察缺陷PBX 2和PBX 3, 均发现弹性系数和(拉伸、体积、剪切)模量下降, 导致体系刚性减弱, 延展性和韧性增强. 这与在基炸药HMX晶体(1, 2和3)中分别加入HTPB高聚物粘结剂形成PBX 1, PBX 2和PBX 3呈现类似的相应的变化趋势和效果. 此外, 研究表明, 爆炸性质也依赖于体系的组成和结构. 因加入的是低能高聚物, 故PBX(1), PBX(2)和PBX(3)的爆热、爆速和爆压均比相应的基炸药(1, 2和3)低, 即晶体(1)＞PBX(1), 晶体(2)＞PBX(2), 晶体(3)＞PBX(3). PBX(1), PBX(2), PBX(3)与对应基炸药(1, 2, 3)的爆速和爆压取相同变化次序, 亦即PBX(1)＞PBX(2)＞PBX(3)对应于晶体(1)＞晶体(2)＞晶体(3). 这些计算结果和规律对PBX配方设计显然具有指导作用.     

HMX/F2311 NPT高聚物粘合炸药力学性能的NPT系综分子动力学模拟研究

本文用分子动力学模拟方法研究了以β型奥克托金(β-HMX)含能材料为基,以氟聚物F2311为粘合剂的高聚物粘合炸药(PBX)的力学性能。β-HMX晶体和以其为基的高聚物粘合炸药的弹性常数均由静态弹性常数分析法计算求得，而工程模量和泊松比则由Reuss平均法导出。根据柯西压和本体模量与剪切模量的比值，发现通过加入少量该种聚合物可有效地提高HMX晶体的延展性。     

聚(ε-己内酯)/苯乙烯-丙烯腈共聚物共混物相容性的研究

本文采用DSC、IR方法研究了聚ε-己内酯PCL苯乙烯-丙烯腈共聚物SAN共混物的相容性。观察到共混物只表现出单一的玻璃化转变温度。而且随着含量的增加,半结晶高聚物的熔点下降,利用Flory-Huggins方程计算出共混体系的相互作用参数x_(23)计算结果表明该体系是热力学相容的。红外光谱的研究表明两种高聚物的这种相容性,是由于PCL中的羰基和SAN中的α-氢的氢键相互作用引起的。     

含能材料六硝基六氮杂异伍兹烷分子的B3LYP研究

在B3LYP/6-31G^**水平上对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)分子进行结构优化、集居数分析、自然键轨道和振动频率计算,得到与实验值相符的稳定构型.根据计算结果,讨论了键特性对分子性质的影响.     

高聚物包覆法抑制NTO酸性腐蚀的XPS实验研究

采用高聚物包覆方法制得了NTO/F2311药柱,用XPS测试了药柱与不锈钢、铝、铜等金属高温接触贮存期间的NTO酸性腐蚀作用.结果表明,NTO/F2311药柱与金属在高温接触贮存期间未发生酸性腐蚀,F2311具有抑制NTO酸性腐蚀的作用;样品表面各种原子的迁移变化不明显,F2311中含氯链段发生取向为药柱深层的迁移,而含氟链段发生取向为药柱表面的迁移;药柱表面组分的迁移存在着的取向性使表面层组分的电子云密度降低以及峰位结合能增大,起到了抑制NTO酸性腐蚀的作用.     

硝酸甲酯分子间相互作用的DFT和ab initio比较

用密度泛函理论(DFT)和从头算(ab initio)方法,分别在B3LYP/6 31G和HF/6 31G水平上求得硝酸甲酯三种二聚体的全优化几何构型和电子结构,并用6 311G和6 311＋＋G基组进行总能量计算.对HF/6 31G计算结果进行MP4SDTQ电子相关校正.在各基组下均进行基组叠加误差(BSSE)和零点能(ZPE)校正求得结合能.对6 31G优化构型作振动分析并基于统计热力学求得200～600 K温度下单体和二聚体的热力学性质.详细比较两种方法的相应计算结果,发现DFT求得的分子间距离较短,分子内键长较长,所得结合能均小于相应ab initio计算值.     

黏结剂PLA,PCL及其共聚物与CL-20/TNT共晶黏结性能的分子动力学模拟

运用分子动力学(MD)模拟方法,对绿色黏结剂聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)和聚乳酸-己内酯共聚物(P(LA-co-CL))在六硝基六氮杂异伍兹烷/三硝基甲苯(CL-20/TNT)炸药共晶4个晶面(001),(100),(010) H和(010) T上的黏结性能进行了计算研究.对高聚物PLA,PCL和P(LA-co-CL)的密度、体积和玻璃化转变温度进行模拟以验证力场的适用性,结果显示,计算值与实验值吻合较好.分子动力学模拟计算结果表明,组成界面的晶面和高分子极性较高时,润湿性能明显较好;对相关函数计算发现,晶面和黏结剂之间H-O原子对在0. 5 nm范围内数量明显增多.对于极性最小的PCL,在所有晶面上的润湿性能都明显降低.     

聚醚砜与含萘环的聚芳醚酮增容共混物的研究

以双酚S型含萘环的聚芳醚酮为增容剂,研究了对聚醚砜(PES)与对苯二酚型-1,4-萘环的聚芳醚酮(1,4-NA-PAEK)共混体系的相容性及力学性能.结果表明,双酚S型含萘环的聚芳醚酮可显著降低PES/NA-PAEK共混体系中NA-PAEK分散相尺寸,改善两组分间的相容性,并且增容剂的加入使共混体系形成了双连续的互锁结构,提高了共混物的力学性能.     

第ⅢA族金属叠氮多聚体结构和性质的理论研究

在DFT-B3LYP/SDD水平上计算研究了第A族金属叠氮多聚体(Me₂MN₃)_n(n=1～3,M=Ga,Al)的结构和性质.多聚体(Me₂MN₃)₂,3的各优化构型均为环状,通过一子体系叠氮基的α-N和另一子体系的金属Ga或Al相连.二聚体(Me₂MN₃)₂中含M2N2平面四元环结构,三聚体(Me₂MN₃)₃具有结合能相近的扭船式和椅式两种构象,均含M₃N₃六元环结构.与单体相比,多聚体的几何参数变化较大.报道了它们在不同温度下的热力学性质,发现叠氮二甲基镓和铝体系以二聚体形式存在.     

XPS研究单壁碳纳米管(SWNTs)上碳与碘形成的共价键

采用简单的氯胺-T反应制备了碘化的多羟基单壁碳纳米管(SWNTols)，发现碘与SWNTols的碳形成共价键.用同步辐射光电子能谱(SRXPS)和光电子能谱(XPS)测量发现,样品的碘的电子结合能与两个具有C－I共价键的参考物——苯的衍生物，完全一致，而与具有离子性质的NaI的结合能不同.这个结果对单壁碳纳米管今后的生物医学应用研究有实际意义.     

LiSiF3体系的构型及异构化反应的理论研究

用从头计算方法在G2 (MP2 )水平上考察了LiSiF3 体系的各可能异构体以及这些异构体之间的异构化反应 .势能面上 4个极小值点的相对能量分别为 - 1 2 8.6 ,- 1 94.3,- 1 2 .7和 - 1 2 2 .8kJ/mol(以LiF和SiF2 的能量之和为零点 ) .含有 3个F Si F Li四元环具有C3v对称性的四元环构型能量最低 .其余的 3个构型异构化为四元环构型的过程中的势垒最高为 1 2 .5kJ/mol.