CL20/DNB共晶的热感度分子动力学研究

共晶技术大幅提高了六硝基六氮杂异伍兹烷（CL20）的热稳定性而且保留了CL20高爆速、高爆压等特性.为了研究CL20/1,3-硝基甲苯（DNB）共晶的热感度降低的原因,采用ReaxFF/lg反应力场模拟CL20/DNB共晶、CL20/TNT共晶、CL20单晶以及DNB单晶系统的热分解过程.研究发现： CL20/DNB共晶的热感度低于CL20/TNT共晶和CL20单晶的热感度,但高于DNB单晶的热感度.通过分析CL20单晶和CL20/DNB共晶的初始反应路径,揭示了共晶有效降低CL20热感度的机理.CL20/DNB共晶和CL20热分解具有相似的主要产物,NO₂、NO₃、N₂、N₂O₂、HNO、H₂O、CO₂和HONO等,通过反应动力学分析得到CL20/DNB共晶和CL20的活化能.     

飞秒激光烧蚀含能材料的分子动力学模拟

为了得到飞秒激光侵蚀(FLA)1, 3二硝基甲苯(简称DNB,分子式：C₆H₄N₂O₄),六硝基六氮杂异伍兹烷(简称CL20,分子式：C₆H₆N₁₂O₁₂)和CL20/DNB共晶系统的物理和化学响应过程,本文采用ReaxFF/lg反应力场对其过程进行模拟。计算结果表明,CL20/DNB系统的温度和压力在飞秒激光加载过程中出现阶跃,激光加载过程后系统有一个冷却过程,然后系统的温度和压力逐渐升高达到最大值并维持平衡。研究发现,在此过程中CL20和CL20/DNB系统触发反应均为CL20分子中的N―NO₂断裂。CL20系统的分解速率大于CL20/DNB共晶系统,这可能是因为共晶系统在反应初期具有大量的DNB分子以及分解产物中含有比较稳定的苯环减少了CL20及其产物之间的有效碰撞。     

八硝基立方烷高温热分解分子动力学模拟

随着对高能量密度材料的性能要求不断提高,新型高能量密度材料成为近期研究热点,其中八硝基立方烷(ONC)由于其优越的性能成为其中典型的代表,然而关于八硝基立方烷热分解的动力学机理研究比较少。本文采用ReaxFF反应力场模拟高温条件下凝聚相八硝基立方烷初始热分解过程。研究发现热分解过程中八硝基立方烷笼状骨架结构中C-C键最先发生断裂,并逐步破坏形成八硝基环辛烯等,随后出现NO₂和O等,计算结果表明笼状骨架结构的破坏存在三种不同路径。八硝基立方烷在高温条件下热分解的主要产物有NO₂、O₂、CO₂、N₂、NO₃、NO、CNO以及CO等,其中N₂和CO₂是终态产物,不同温度对产物均产生不同程度的影响。     

TNT高温热解及含碳团簇形成的反应分子动力学模拟

ReaxFF-MD模拟三硝基甲苯(TNT)高温热解显示增加了伦敦耗散力项(E_lg)的ReaxFF/lg 势函数在含能材料平衡密度计算方面具有优越性. 产物识别分析得出TNT热解的主要产物为NO₂、NO、H₂O、N₂、CO₂、CO、OH以及HONO,且最终产物为H₂O、N₂和CO₂. 使用ReaxFF势函数模拟同样过程进行比较性分析显示,在主要产物和最终产物方面与ReaxFF/lg 作用结果具有一致性,但在化学反应动力学方面表现出一些差异. ortho-NO₂键断裂和C―NO₂→C―ONO重排布-断裂形成NO₂和NO是TNT热解的主要初级反应,且前者产生速率大于后者,NO₂和NO形成后很快参与次级反应并最终形成N₂. 高温热解中形成OH等小分子会促进H₂O的形成. 环上基团相互反应或直接脱落后,主环间C―C键才发生断裂,但温度升高会加快主环断裂,并进一步分解形成CO₂,这也是高温条件下CO₂分布产生波动的一个重要原因. 并且当晶胞中的TNT分子几乎完全分解时,系统的势能开始明显衰减. 与温度相比,密度对热解中最大含碳团簇形成的影响更明显. 并且,模拟结果显示,在TNT完全分解前已经出现含碳中间体的聚合现象. 此项工作表明使用ReaxFF/lg 反应力场研究TNT高温热解可以提供具体的动力学和化学方面的信息,并有助于理解含能材料的爆轰问题并可进行安全评估.     

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。     

The Anisotropic Chemical Reaction Mechanism of 1,3,3-trinitroazetidine (TNAZ) under Different Shock Wave Directions by ReaxFF Reactive Molecular Dynamics Simulations

1,3,3-Trinitroazetidine (TNAZ) has good thermal stability and low shock sensitivity, among other properties, and it has broad prospects in insensitive ammunition applications. In this study, a molecular dynamics calculation based on the ReaxFF-lg force field and multiscale shock technique (MSST) was used to simulate the shock-induced chemical reaction of TNAZ with different shock wave directions. The results showed that the shock sensitivity of TNAZ was in the order of [100] > [010] > [001]. There were significant differences in molecular arrangements in different shock directions, which affected the reaction rate and reaction path in different directions. The molecular arrangement in the [010] and [001] directions formed a “buffer” effect. The formation and cleavage of bonds, formation of small molecules and growth of clusters were analyzed to show the effect of the “buffer”. The polymerization reactions in the [010] and [001] directions appeared later than that in the [100] direction, and the cluster growth in the [010] and [001] directions was slower than that in the [100] direction. In different shock loading directions, the formation and cleavage mechanisms of the N-O bonds of the TNAZ molecules were different, which resulted in differences in the initial reaction path and reaction rate in the three directions     

CL-20热分解反应机理的ReaxFF分子动力学模拟

为探究固相CL-20热分解反应机理,本文采用反应分子动力学ReaxFF MD模拟研究了含有128个CL-20分子的超胞模型在800–3000 K温度下的热分解过程。借助作者所在课题组研发的反应分析及可视化工具VARxMD得到了热分解过程中多种反应中间物和较为全面的反应路径。氮氧化物是CL-20初始分解的主要中间产物,其中NO₂是数量最多的初始分解产物,观察到的中间物NO₃的生成量仅次于NO₂。统计CL-20初始分解的所有反应后发现,在所有考察温度下CL-20初始分解路径主要是N―NO₂断裂反应和C―N键断裂引起开环的单分子反应路径。N―NO₂断裂反应数量在高温下显著增多,而C―N键断裂引起的开环反应数量随温度升高变化不大。在低温热分解模拟中还观察到CL-20初始分解阶段生成的NO₂会发生双分子反应—从CL-20分子中夺氧生成NO₃。对CL-20热分解过程中环结构演化进行分析后发现,CL-20分解的早期反应中间物主要为具有3元或2元稠环结构的吡嗪衍生物,随后它们会分解形成单环吡嗪。吡嗪六元环结构在热分解过程中非常稳定,这一模拟结果支持Py-GC/MS实验中提出吡嗪存在的结论。CL-20中的咪唑五元环结构相对不稳定,在热分解过程中会发生开环分解而较早消失。由ReaxFF MD模拟得到的3000 K高温热分解产物N₂,H₂O,CO₂和H₂的数量与爆轰实验的测量结果定量吻合。本文获得的对CL-20热分解机理的认识表明ReaxFF MD结合VARxMD有可能为深入了解热刺激下含能材料复杂化学过程提供一种有前景的方法。     

基于ReaxFF力场的对硝基苯酚臭氧氧化分子动力学模拟

本文采用基于ReaxFF反应力场的分子动力学方法(ReaxFF MD),利用自主研发的国际首个基于GPU加速的ReaxFF MD程序系统GMD-Reax和独特的化学反应分析工具VARx MD,探索臭氧氧化对硝基苯酚的反应机理。通过模拟考察了300 K恒温条件下臭氧氧化水中对硝基苯酚的行为,获得了酚结构开环、CO_2生成、主要自由基(·OH、·O_2、·O)及团簇型自由基的数量演变趋势,并可定性描述六元环开环和CO_2生成均遵循伪一级反应动力学规律。反应机理分析表明酚类分子在水溶液中被臭氧氧化的路径主要经过攫氢、六元环开环、碳链的氧化分解三个阶段,也揭示了自由基和团簇型自由基在臭氧降解对硝基苯酚时所发挥的重要作用。本工作是应用ReaxFF MD分子模拟方法对常温水环境下臭氧降解酚类污染物反应机理研究的一个尝试,可为深入认识该机理及相关的实验、理论研究提供一定的参考。     

水分子对α相CL-20热分解机理影响的分子动力学研究

研究六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)晶体不同晶型在不同温度下的反应机理, 对于深入认识含能材料在极端条件下的冲击起爆、冲击点火和爆轰过程等具有重要意义. 基于反应力场, 研究水分子在纯α相CL-20及其水合物的晶体结构中数量随时间的变换, 分析水分子对两种体系的初始分解和第二阶段的分解路径的影响. 计算结果表明: CL-20 分子的初始分解路径与水分子无关, 第二阶段的分解反应与水分子有关. 在低温(T<1500 K)下, 水分子对两种体系没有影响, 二者的初始分解路径均为N-NO₂键生成NO₂自由基; 在1500 K≤T≤2500 K时, 水分子作为反应物或与NO₂、、OH自由基等组成催化体系, 生成O₂、H₂O₂等产物, 加速水合物体系在高温下的第二阶段反应, 使得高温下水合物体系的化学反应速率和反应生成的NO₂自由基的数量比纯CL-20体系的化学反应速率和反应生成的NO₂自由基的数量大; 在T>2500 K时, 水分子的催化反应抑制CL-20初始分解反应, 使得在3000 K时纯CL-20体系的反应速率大于水合物体系中CL-20的反应速率.     

Molecular Dynamics Simulations for Effects of Fluoropolymer Binder Content in CL-20/TNT Based Polymer-Bonded Explosives

In order to better understand the role of binder content, molecular dynamics (MD) simulations were performed to study the interfacial interactions, sensitivity and mechanical properties of 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitane/2,4,6-trinitrotoluene (CL-20/TNT) based polymer-bonded explosives (PBXs) with fluorine rubber F₂₃₁₁. The binding energy between CL-20/TNT co-crystal (1 0 0) surface and F₂₃₁₁, pair correlation function, the maximum bond length of the N–NO₂ trigger bond, and the mechanical properties of the PBXs were reported. From the calculated binding energy, it was found that binding energy increases with increasing F₂₃₁₁ content. Additionally, according to the results of pair correlation function, it turns out that H–O hydrogen bonds and H–F hydrogen bonds exist between F₂₃₁₁ molecules and the molecules in CL-20/TNT. The length of trigger bond in CL-20/TNT were adopted as theoretical criterion of sensitivity. The maximum bond length of the N–NO₂ trigger bond decreased very significantly when the F₂₃₁₁ content increased from 0 to 9.2%. This indicated increasing F₂₃₁₁ content can reduce sensitivity and improve thermal stability. However, the maximum bond length of the N–NO₂ trigger bond remained essentially unchanged when the F₂₃₁₁ content was further increased. Additionally, the calculated mechanical data indicated that with the increase in F₂₃₁₁ content, the rigidity of CL-20/TNT based PBXs was decrease, the toughness was improved.     

Study on Non-Newtonian Behaviors of Lennard-Jones Fluids via Molecular Dynamics Simulations

Using nonequilibrium molecular dynamics simulations, we study the non-Newtonian rheological behaviors of a monoatomic fluid governed by the Lennard-Jones potential. Both steady Couette and oscillatory shear flows are investigated. Shear thinning and normal stress effects are observed in the steady Couette flow simulations. The radial distribution function is calculated at different shear rates to exhibit the change of the microscopic structure of molecules due to shear. We observe that for a larger shear rate the repulsion between molecules is more powerful while the attraction is weaker, and the above phenomena can also be confirmed by the analyses of the potential energy. By applying an oscillatory shear to the system, several findings are worth mentioning here:First, the phase difference between the shear stress and shear rate increases with the frequency. Second, the real part of complex viscosity first increases and then decreases while the imaginary part tends to increase monotonically, which results in the increase of the proportion of the imaginary part to the real part with the increasing frequency. Third, the ratio of the elastic modulus to the viscous modulus also increases with the frequency. These phenomena all indicate the appearance of viscoelasticity and the domination of elasticity over viscosity at high oscillation frequency for Lennard-Jones fluids.     

印刷电路板中环氧树脂热解的ReaxFF反应动力学模拟

采用ReaxFF动力学方法模拟了非交联固化环氧树脂在不同温度和升温速率下的热解特性. 结果表明, 含N和含O桥键的断裂是热解的引发反应. 观察到H₂O的4种主要的生成途径, 而这些反应途径都涉及到含羟基的前驱体. 当反应温度较低时, H₂O为热解的主要产物. 而在高温条件下, 热解的主要产物为H₂, 它主要为分子内/分子间脱氢反应和氢自由基的夺氢反应的产物; 高温同时促进了含石墨烯结构且分子量较大的碳团簇的形成. 除此之外, 还观察到了CH₄, HCN, NH₃和CO等小分子产物. 本文用ReaxFF动力学方法模拟所得的气体产物以及含类似石墨烯结构的碳团簇与实际实验结果一致, 说明ReaxFF动力学方法能为从分子水平上研究有机物高温热解反应提供了一种有效的途径.     

冲击载荷下TATB晶体滑移和各向异性的分子动力学研究

采用ReaxFF反应力场和分子动力学方法,研究了1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)炸药晶体在沿不同方向冲击载荷下的滑移和各向异性。冲击方向分别垂直于(101)、(111)、(011)、(110)、(010)、(100)和(001)晶面,冲击强度为10 GPa。研究结果表明,各冲击方向下可能被激发的滑移系均在{001}面,而其它滑移系均因很大的剪切阻力不容易被激发,这与TATB晶体沿c轴的层状结构和平面分子结构相符。预测了七个冲击方向下最容易被激发的滑移系,分别为(101)/{001}100、(111)/{001}010、(011)/{001}010、(110)/{001}010、(010)/{001}110、(100)/{001}120和(001)/{001}010。TATB晶体的冲击响应具有各向异性,动力学过程中体系的应力、能量、温度和化学反应都依赖于冲击方向。对垂直于(100)和(001)晶面的冲击,体系在滑移过程中遭遇的剪切阻力较高、持续时间较长,使得能量和温度较快升高,化学反应较容易发生;对垂直于(101)和(111)晶面的冲击,体系在滑移过程中遭遇的阻力较小且出现次数少,使得能量和温度缓慢升高,化学反应不易发生;对其余冲击方向,体系的响应居中。据此评价了7个冲击方向的相对敏感程度:(101)、(111)(011)、(110)、(010)(100)、(001)。本研究有助于在微观层次深入认识动载荷下TATB的响应机制、结构与性能的关系,为高能低感炸药的设计和研制提供理论参考。     

热辅助存储磁盘硅掺杂非晶碳薄膜氧化的ReaxFF反应力场分子动力学模拟

Heat-assisted magnetic recording (HAMR) is one of the promising ways to extend the magnetic recording area density to 1 Tb·in^-2 in hard disk drives (HDDs).High temperature induced by laser heating can cause carbon overcoat (COC) oxidation.Reactive molecular dynamics (MD) simulations are performed to investigate the oxidation process of silicon-doped amorphous carbon (a-C:Si) films for HAMR application.The atomic details of the structure evolution and oxidation process are investigated, and, the oxidation mechanism of the a-C:Si film is clarified.The effect of the duration of laser irradiation on the oxidation of the a-C:Si film is investigated.The oxidation occurs during heating and the beginning of cooling process.Both volume expansion during heating process and cluster of carbon atoms during cooling process increase the rate of sp² carbon.Because of the decrease in the amount of unsaturated silicon atoms and low diffusion coefficient of atomic oxygen, the oxidation rate of the a-C:Si film decreases with laser irradiation cycles.The molecular oxygen is the oxidant due to surface defect of a-C:Si film.The atomic strains break the O-O bonds in Si-O-O-Si linkages and rearrange the surface oxide layers, and process the oxidation of the a-C:Si film.     

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.     

Structural Dynamics of Some Large-Ring Cyclodextrins. A Molecular Dynamics Study: An Analysis of Force Field Performance

Molecular dynamics simulations were performed on four large ring cyclodextrins (LR-CDs), CD14, CD21, CD26 and CD28, both in gas phase and in water solution. Four different force fields (parm94, parm99, glycam2000a and MM3*) were used to examine their dependence with the results. The differences were not significant when parm99 and glycam2000a were used. Parm94 and MM3* results differ considerably due to inadequate bending parameters (parm94) or due to a strong stabilization by the intramolecular hydrogen bonds between hydroxyl groups. Simulations in the gas phase show that the CDs are elongated and twisted, and that cavities typical for the native CDs (CDn, n = 6, 7, 8) are not present. Simulations in water solution produced average structures that do not correspond to the conformations in the crystalline state. The LR-CDs are highly flexible and this could favor the formation of inclusion complexes through the intermediation of some other molecules that could fit to the smaller and more specific cavities they have.On sabbatical leave from the Institute of Organic Chemistry with Center of Phytochemistry, Bulgarian Academy of Science, ul. Acad. G. Bonchev, bloc 9, 1113 Sofia, Bulgaria     

液态合金NiAl凝固过程中微观结构转变的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对液态NiAl凝固过程进行了研究,考察了不同冷却速度下液态NiAl结构变化特点,原子间相互作用势采用F-S多体势,结构分析采用键取向序和对分析技术.计算结果表明,冷却速度对液态NiAl结构转变有重要影响,在不同的冷却速度下, NiAl凝固过程出现了明显不同,冷速为4×1013和4×1012 K/s时, NiAl快速凝固为无序的非晶体结构;而在较慢的8×1011 K/s冷速下, NiAl凝固为晶态结构.给出了不同冷却速度下液态NiAl结构转变的微观信息.     

N-脒基脲二硝酰胺盐晶体形貌的分子动力学研究

采用分子动力学方法,在正侧(NVT)系综下研究了N-脒基脲二硝酰胺盐(FOX-12)在溶剂中的晶体形貌.通过构建溶剂分子层-晶面的界面吸附模型模拟其动力学平衡构型,计算溶剂与晶体表面间的结合能,进而对真空附着能进行修正并获得溶剂条件下的晶貌.使用自然冷却法在水和水/甲醇中培养FOX-12晶体并利用扫描电子显微镜进行了表征.结果表明,在真空条件下决定FOX-12晶貌的6个重要晶面为(110),(200),(201),(011),(002)和(111);FOX-12在水溶液条件下的主要晶面为(110)和(011),在水/甲醇溶液条件下的主要晶面为(200)和(011),预测的晶体形貌与实验结果相吻合.对水分子和FOX-12的(110)面间的径向分布函数进行了计算,分析了水分子和晶面间的分子间作用力.     

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.