RDX/BAMO推进剂结合能、力学性质和能量性能的分子动力学模拟

利用分子动力学方法研究了著名的含能材料环三亚甲基三硝胺(RDX)、3,3′-双-(叠氮甲基)-氧杂环丁烷(BAMO)和RDX/BAMO推进剂. 结果表明, BAMO与RDX(010)面之间分子相互作用最强, 其次是(100)和(001)面. 以对相关函数g(r)描述了RDX和BAMO之间的相互作用. 计算了RDX/BAMO推进剂的弹性系数、模量、柯西压、泊松比等性能. 结果表明, BAMO的加入能够改善RDX的弹性力学性能, 相对改善效应的顺序为(100)>(001)>(010). RDX/BAMO推进剂的能量性能结果显示, BAMO的加入降低了RDX的比冲, 但仍高于著名的双基推进剂的比冲.     

RDX及其衍生物高温热解的反应分子动力学模拟

本文采用ReaxFF反应分子动力学方法,研究了RDX及其衍生物晶体在高温条件下(2000、2500和3000 K)的热分解机理以及主要产物随时间的变化情况。结果表明:RDX及其衍生物晶体热解的第一步反应均为N―NO_2键断裂生成NO_2分子,随后反应由于六元环上和侧链基团的不同导致侧链脱除或开环反应的顺序不同。在这四种单胞体系热解中,NO_2和NO分子为共同的中间产物,形成之后迅速发生次级反应并最终生成N_2。各体系热解终产物一致,均为N_2、H_2O和CO_2,其中N_2分子数最多,大于20个。由于原始分子结构和组成中C/N比、H/O比的不同,各体系热解后H_2O和CO_2分子数目相差较大。不同温度下,各单胞体系热分解生成的最大含碳团簇中C原子数均较小。在进一步超胞体系的模拟中,RDX和RDX-D2体系生成的含碳团簇中C原子数分别达到约30和16个,远高于单胞模拟,且受温度影响较大;而RDX-D1和RDX-D3单胞或超胞模拟结果相近,均未生成含碳团簇,仅存在小分子含碳碎片。因此,初始分子的结构和元素比对含碳团簇的生成有明显影响。     

RDX基PBX的模型、结构、能量及其与感度关系的分子动力学研究

以RDX（环三亚甲基三硝胺）为基、PS（聚苯乙烯）为粘结剂构成PBX（高聚物粘结炸药）的MD（分子动力学）模拟初始模型.比较分别以1根46链节和2根23链节PS置于RDX（001）晶面上的两种（PBX1和PBX2）模型下的MD模拟结果,发现二者的结构、相互作用能和力学性能均很接近.取PBX2进行5种温度（195,245,295,345和395 K）下的NPT系综、MD模拟系统研究,发现随温度依次升高,各体系中RDX引发键N NO2键的最大键长（Lmax）递增,N–N键连的N与N之间的双原子作用能（EN-N）和内聚能密度（CED）递减,与感度随温度升高而增大的实验事实相一致.综合已有工作,对高能复合材料（如PBX和固体推进剂等）的感度理论研究,建议关注其中易爆燃组分在外界刺激下的结构和能量变化,其引发键Lmax和作为引发键强度度量的双原子作用能（如EN-N）,可作为热和撞击感度相对大小的理论判据.     

GAPA及GAPA/P(BAMO/AMMO)含能热塑性弹性体的热性能

采用TG/DSC-IR-MS联用技术对端叠氮基聚叠氮缩水甘油醚(GAPA)及其增塑聚(3,3′-二叠氮甲基环氧丁烷/3-叠氮甲基-3′-甲基环氧丁烷)(PBA)的热分解特性进行研究.结果表明,GAPA、GAPA/PBA的热分解主要经历两个阶段,即叠氮基团的分解和聚醚主链的分解,GAPA可以降低PBA的分解温度,并且提高体系表观分解热;GAPA、GAPA/PBA分解的主要气相产物有N2、NH3、HCN、CH2O、N2O、CO2、NO等;GAPA可以促进PBA的热分解,GAPA/PBA产物中CHO、HCN在热分解第一阶段的离子强度远高于第二阶段.     

不同温度下HMX和RDX晶体的感度判别和力学性能预估分子动力学比较研究

为探讨和比较炸药黑索金(RDX)和奥克托今(HMX)晶体的结构、 能量和力学性质随温度的递变规律, 在COMPASS力场和NPT系综下, 对其合适的等原子数超晶胞模型分别进行5个温度(195, 245, 295, 345和395 K)下的分子动力学(MD)周期性模拟研究. 结果表明, 随着温度的升高, RDX和HMX晶体引发键N-NO₂的最大键长(L_max)的逐渐增大以及引发键连双原子作用能(E_N-N)和内聚能密度(CED)的逐渐减小均与感度随温度升高而增大的实验结果一致; 且在各温度下, RDX晶体的L_max均大于HMX晶体的L_max, 与HMX相比, RDX的E_N-N和CED均较小, 上述结果与RDX比HMX感度大的实验结果相符. 由此表明, 在一定条件下, L_max, E_N-N和CED可用于高能物质的热和撞击感度的相对大小的判别. 基于MD模拟原子运动轨迹, 用静态法求得2种晶体的弹性力学性能, 发现拉伸、 体积和剪切模量均随温度的升高而递减, 与实验结果一致.     

高分子/棒状纳米粒子复合物的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学模拟研究了剪切场下棒状纳米粒子对高分子基体的结构、 动力学和流变性质的影响. 通过比较多种体积分数(0.8%~10%)的纳米复合物及纯熔体的模拟结果发现, 随着纳米粒子的增加, 高分子链的扩散和松弛逐渐受到抑制, 而链尺寸几乎保持不变. 从Weissenberg number(W_i)角度看, 在剪切流场下, 高分子链的结构性质(如归一化的均方回转半径、 回转张量和取向抑制参数)几乎与纳米粒子的体积分数无关, 而高分子链的Tumbling运动受到抑制. 研究还发现, 纳米复合物与纯熔体的剪切黏度曲线趋势基本一致, 即W_i=1将曲线分为平台区和剪切变稀区. 纳米棒的加入仅定量地改变了流体的剪切黏度.     

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.     

石墨烯/聚乙烯界面导热性能的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学模拟(NEMD)方法研究了石墨烯/聚乙烯纳米复合材料的界面导热性能,主要考察了石墨烯层数、尺寸对界面热阻的影响.研究结果表明:当石墨烯层数为一层时,界面热导为46.79 MW/(m~2K),随着石墨烯层数的增加,界面热导下降;但石墨烯层数超过四层后,界面热导趋于恒定接近39.00 MW/(m~2K);随着石墨烯尺寸的增大,石墨烯中较长波长声子被引发并对界面热传导起到主要的作用,最终导致界面热导逐渐增大.     

低熔点DNAN/RDX混合材料的热行为及分解机理

利用动态测压热分析法(DPTA)、差式扫描量热法(DSC)、热重分析法(TG)、热烤法研究了低熔点含能材料DNAN/RDX的热行为和分解机理。研究得到结论：1)DPTA法测试结果表明DNAN/RDX的热安定性较好;在固相分解阶段,运用Satava-Sestak法得出20～100℃时非等温固相分解阶段机理函数为G(α)=[(1-α)^-1/3-1]²,E_S=85.64 kJ/mol, lgA_s=11.57;等温阶段的等温分解动力学机理函数为G(α)=[(1-α)^1/3,反应速率常数k=1.515 32×10^-4。2)DSC法和TG法研究结果表明RDX主要为熔融液相形式分解,DNAN主要为气相形式分解;混合体系中RDX促进了DNAN的分解过程,DNAN/RDX的受热质量损失过程主要为DNAN的挥发过程和RDX的热分解过程。运用DSC法研究升温速率为5℃/min时DNAN/RDX的热分解过程,普适积分法得出在224～320℃范围内的分解过程机理函数为G(α)=[-...     

石墨烯/聚乙烯复合材料及其拉伸性能的分子动力学模拟

利用分子动力学方法,模拟石墨烯/聚乙烯复合材料的微观结构和性能,并采用单轴拉伸模拟方法研究石墨烯/聚乙烯复合材料的拉伸性能.结果表明,在石墨烯/聚乙烯复合材料平衡构型中,聚乙烯基体分子在石墨烯表面处形成多层吸附层,吸附层处于动态稳定状态,层内分子可以发生扩散迁移.吸附层内聚乙烯分子发生"吸附固化"现象,分子弯曲程度减弱,发生有序排列,且在垂直于石墨烯方向的运动性能受到抑制.拉伸模拟结果表明,石墨烯能够提高聚乙烯材料的拉伸性能.在弹性区和屈服区,石墨烯阻碍了复合材料在垂直于拉伸方向的压缩变形,聚乙烯分子"吸附固化"结构保持稳定,引起体系整体应力的迅速升高.在软化区,由于石墨烯发生剧烈弯曲,"吸附固化"结构发生破坏,最终引起体系应力迅速减小.在弹性区和屈服区,体系应变主要引起了非键相互作用的改变.在软化区之后,应变主要导致了体系内分子成键相互作用的改变.应变速率能够提高复合材料的屈服应力,而不改变复合材料应力应变的整体趋势.     

RDX分子内振动能量重分配的动力学研究

基于从头算分子动力学(Born-oppenheimer molecular dynamics, BOMD)模拟, 构建了环硝胺六氢-1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪(RDX)单分子不同振动模式之间的耦合矩阵, 并计算了在不同加载能量下从低频振动模式到高频振动模式的最优能量传输路径. 结果表明, RDX单分子中—NNO₂基团更有利于能量局域化, 振动模式v₃和v₄在从低频振动模式到高频振动模式的能量传输过程中扮演着重要角色. 通过对v₃和v₄两个振动模式的进一步分析发现, 加载能量的不同会导致RDX单分子能量传输路径的不同. 当加载能量较低时, RDX单分子倾向于从低频振动模式到中频振动模式再到高频振动模式的能量传输路径; 当加载能量较高时, 能量更倾向于从低频振动模式直接传输到高频振动模式上. 揭示了RDX分子内振动耦合能量转移的微观机制, 为进一步探索RDX将“机械能”转化为“化学能”的微观过程提供了理论基础.     

Molecular Dynamics Study of Interaction between Acrylamide Copolymers and Alumina Crystal

Four acrylamide polymer flocculants, anionic polyacrylamide P(AA-co-AM), cationic poly-acrylamide P(DMB-co-AM), nonionic polyacrylamide P(AM), and hydrophobical polyacry-lamide P(OA-co-AM) have been prepared by copolymerizing with acrylic acid, cationic monomer dimethylethyl (acryloxyethyl) ammonium bromide (DMB) and hydrophobical monomer octadecyl acrylate with acrylamide. The interactions between the flocculants withthe (012) surface of alumina crystal (Al₂O₃) have been simulated by molecular dynamics method. All the polymers can bind tightly with Al₂O₃ crystal, the interaction between the O of polymers and Al of the (012) surface of Al₂O₃ is significantly strong. The order of binding energy is as follows: P(DMB-co-AM)>P(OA-co-AM)>P(AA-co-AM)>P(AM), implying a better flocculation performance of P(DMB-co-AM) than the others. Analy-sis indicates that binding energy is mainly determined by Coulomb interaction. Bonds are found between the O atoms of the polymers and the Al atoms of Al₂O₃. The poly-mers' structures deform when they combine with Al₂O₃ crystal, but the deformation en-ergies are low and far less than non-bonding energies. Flocculation experiments in sus-pension medium of 1%Kaolin show a transmittancy of 90.8% for 6 mg/L P(DMB-co-AM) and 73.0% for P(AM). The sequence of flocculation performance of four polymers is P(DMB-co-AM)>P(OA-co-AM)>P(AA-co-AM)>P(AM), which is in excellent agreement with the simulation results of binding energy.     

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.     

3MBA类FtsZ蛋白抑制剂的分子动力学模拟及抗菌作用机制

采用分子动力学模拟、蛋白质二级结构测定(DSSP)、口袋体积测量(POVME)以及MM-PBSA(molecular mechanics Poisson-Boltzmann surface area)方法, 系统研究了金黄色葡萄球菌丝状温度敏感性蛋白Z (SaFtsZ)-二磷酸鸟苷(GDP)二元复合物和SaFtsZ-GDP-3MBA (3-甲氧基苯甲酰胺)类衍生物三元复合物体系的稳定性、蛋白质二级结构、蛋白质构象、关键残基质心距、活性口袋体积以及相对结合自由能的变化规律. 研究表明: 当不含抑制剂存在时SaFtsZ-GDP二元复合物体系稳定性较差, 其T7Loop区域残基(203-209)波动较大, 且蛋白二级结构发生明显变化, 活性口袋体积急剧减小, 底物通道显著变窄且不稳定. 而含有抑制剂PC190723、Compound1 的类衍生物三元复合物体系的表现截然不同, 这主要是由于它们均能和活性口袋T7Loop区周围残基形成关键性的氢键以及疏水作用, 与FtsZ 蛋白紧密结合. 在SaFtsZ-GDP-3MBA三元复合物体系中, 3MBA仅能与活性口袋中部分残基形成疏水作用, 与FtsZ 蛋白亲和力较弱, 使其不能稳定地存在于活性口袋中, 进一步导致它的抗菌活性明显低于PC190723、Compound1. 这些发现深入揭示了3MBA类衍生物对FtsZ 蛋白的作用机制和影响规律, 为该类FtsZ 蛋白抑制剂的结构优化和产品开发应用提供了重要的理论依据.     

HTPB与Al不同晶面结合能和力学性能的分子动力学模拟

采用分子力学(MM)和分子动力学(MD)方法, 在250、300、350、400、450 K, 对固体推进剂端羟基聚丁二烯(HTPB)和铝晶胞不同晶面结构所组成的层模型在COMPASS力场下, 进行模拟计算, 求得结合能和静态力学性能(弹性系数、模量和泊松比). 模拟结果表明, 在400 K时HTPB与Al(011)面的结合能最大, 从综合力学性能优劣上看, 各个面从优到劣的排序为(011)>(221)>(001), HTPB与Al的结合能与力学性能具有对应关系, 结合能大的力学性能优异, 结合能小的力学性能较差.     

水溶性聚合物与方解石晶体相互作用的MD模拟

用分子动力学(MD)方法, 模拟计算了三种水溶性聚合物阻垢剂[聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)、丙烯酸-丙烯酸甲酯共聚物(AA-MA)]与方解石晶体的作用. 结果表明, 聚合物与方解石两晶面结合能的大小均为PAA ＞ AA-MA ＞ PMAA, 聚合物与(1 0)面的相互作用远比与(104)面的作用强. 对体系各种相互作用以及对关联函数g(r)的分析表明, 结合能主要由库仑作用决定. 与方解石晶面结合的聚合物发生扭曲变形, (1 0)面上的形变能约为(104)面上的2倍, 但均远小于相应的非键作用能. 聚合物中不同位置羧基的动力学行为差别很大, 链端羧基的运动翻转比链中部羧基剧烈得多, 后者与方解石晶体的结合比前者牢固而能更有效地抑制垢晶体生长.     

超临界水中碳酸钠团簇成核与生长分子动力学模拟

应用分子动力学方法研究了碳酸钠颗粒在超临界水中的成核与生长过程. 计算了温度为700-1100 K、压力在23-30 MPa下碳酸钠的团聚过程, 计算时间为1 ns. 对体系结合能与径向分布函数的分析表明, 碳酸钠成核过程主要受静电作用的影响. 在超临界态下, 水分子与Na⁺和CO₃^2- 之间的静电作用降低, Na⁺与CO₃^2- 能够很容易碰撞形成Na₂CO₃小团簇. 在Na₂CO₃整个成核过程中, 单个离子的碰撞在前50 ps 内完成, 同时离子碰撞速率达到10³⁰ cm^-3·s^-1. 另外, 在成核阶段温度的影响比压力更加明显, 温度越高, 离子碰撞速率越快, 形成的初始团簇越多. 而压力对Na₂CO₃团簇的进一步生长影响较大.     

TATB/聚三氟氯乙烯复合材料力学性能的MD模拟

Molecular dynamics（MD）was performed to simulate and calculate the combination energy and static mechanical properties（i. e. elastic coefficient,modulus and poisson's ratio）of composite material,1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene coated with polychlorotrifluoethylene（TATB / PCTFE）. It is found that the intermolecular interaction especially H-bond is quite strong. The results show that the elastic properties of Fluorine-Polymer Bonded Explosive（PBX）have changed much compared to those of pure TATB. Its tensile modulus,bulk modulus and shear modulus are reduced evidently. The rigidity of PBX is lowered while the elasticity is increased,which manifests the mechanical property of PBX is improved greatly.