CL-20热分解反应机理的ReaxF F分子动力学模拟（英文）

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VARxM D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NO_2是数量最多的初始分解产物,观察到的中间物NO_3的生成量仅次于NO_2。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―NO_2断裂反应和C―N键断裂引起开环的单分子反应路径。N―NO_2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NO_2会发生双分子反应—从CL-20分子中夺氧生成NO_3。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N_2,H_2O,CO_2和H_2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VARxM D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。     

RP-3高温氧化初始阶段反应机理的ReaxFF MD模拟

本文采用ReaxFF MD方法对一种较新的RP-3四组分替代燃料模型的高温氧化过程进行了研究。利用作者所在课题组研发的独特分析工具VARxMD,对燃烧过程中主要物种(燃料分子、O₂、C₂H₄、·CH₃)随时间和温度的演变规律及其化学反应进行了系统分析。ReaxFF MD模拟得到的燃料和氧气消耗量、乙烯和甲基自由基的生成量与相同温度和初始压力条件下CHEMKIN的计算结果处于同一量级,同时获得了详细的物质结构信息和反应列表。进一步对模拟得到的反应机理形式进行观察后发现,模拟获得的机理形式与文献中的描述一致。对燃料分子第一步反应数量的统计发现,其类型主要为攫氢反应和分子内断裂反应,且后者占主导;燃料分子第一步反应数量的统计也定性展现了不同燃烧条件下各类反应发生的可能性。对氧元素相关的反应分析发现,氧分子和C₁-C₃小分子发生的反应所占比例较大,能在一定程度上为机理简化提供有益线索。在对反应机理分析的基础上获得了RP-3四组分替代燃料体系高温氧化过程的化学反应网络。我们认为,ReaxFF MD反应分子动力学模拟、结合VARxMD对模拟结果深入分析的方法是有潜力系统认识燃料氧化反应机理的新方法,对构建燃料的燃烧反应机理库有一定的帮助。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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(Elg)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.orthoNO2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.     

硝酸酯键断裂触发的含能增塑剂DNTN多阶热分解机理

采用反应分子动力学模拟、固相原位红外测试和同步热分析-红外-质谱联用技术相结合的方法对2,3-二羟甲基-2,3-二硝基-1,4-丁二醇四硝酸酯(DNTN)的热分解过程进行了研究,分析了其热分解气体产物和固相产物,阐明了其热分解机理.结果表明,DNTN的分解分为3个阶段:第一阶段为诱导分解阶段,温度区间为127～147℃,DNTN发生部分O—N键的断裂,释放少量的NO₂气体;第二阶段在147～220℃之间,DNTN快速分解,发生硝基基团脱去和季碳骨架的分解,并且伴随小环结构的生成和裂解,释放大量的NO₂和CO₂等气体,同时放出大量的热;第三阶段为240～350℃,DNTN剩余固态产物在高温下热解,释放少量的CO₂,并且在300℃后剩余的固相物质会进一步反应生成氰基.     

3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)热分解机理的对称破缺密度泛函理论研究

共价键均裂在含能分子的热分解过程中普遍存在,因此极为重要.然而,以往的理论研究通常用键能(ΔH,BDE)估算均裂能垒,因忽略了熵效应,必然造成较大误差.采用对称破缺密度泛函方法(BS-UB3LYP/6-311+G**),对含能分子3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)的热分解机理进行了系统研究和梳理,计算了共价键均裂的过渡态及能垒.结果表明,C—NO₂键均裂和随后的自由基复合是最优途径,能垒为216.9 k J?mol^-1 (523 K).随后产生的NO自由基通过多次“复合-均裂”过程促进三唑中间体开环,分解为HNCO,N₂O和CO等小分子,它们相互反应又生成NO₂,N₂和CO₂.这些分解产物与诸多实验观测结果一致.     

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。     

定常冲击波作用下六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/奥克托今(HMX)含能共晶初始分解机理研究

采用ReaxFF分子动力学方法同时结合多尺度冲击技术(MSST)模拟了4–10 km×s~(-1)定常冲击波加载下含能共晶CL-20/HMX沿不同晶格矢量的初始物理化学响应。获得了系统温度、压力、密度以及粒子速度的时间演化路径,以及初始分解路径,最终稳定反应产物和冲击雨贡纽等。研究结果表明:冲击波入射至含能共晶后,物理上依次经历诱导期、快压缩、慢压缩以及膨胀过程。快压缩和慢压缩过程分别对应反应物的快分解和慢分解。采用指数函数对反应物的衰减曲线进行拟合,并比较了共晶中反应物的衰减速率。整体上,随着冲击波速度的增加,反应物响应的时间逐渐提前,并且,冲击波沿各晶格矢量入射后,共晶中CL-20分子分解的响应时间均早于HMX。CL-20快分解阶段的衰减速率最高,HMX快分解的衰减速率居其次。相对于快分解阶段,慢分解阶段各反应物的衰减速率差异较小。含能共晶的初始反应路径是CL-20聚合形成二聚体,而冲击诱导共晶分解的初始反应路径是CL-20中N-NO_2键断裂形成NO_2。随后产生N_2O,NO,HONO,OH,H等中间小分子。最终稳定产物是N_2,H_2O,CO_2,CO和H_2。晶格矢量b,c方向冲击感度相同,低于晶格矢量a方向的感度。冲击诱导共晶中CL-20和HMX分解的最小冲击波速度(us)分别为6 km×s~(-1)和7 km×s~(-1)。采用冲击雨贡纽关系计算得到沿晶格矢量a,b,c冲击诱导CL-20/HMX共晶起爆的压力分别为16.52 GPa,17.41 GPa和17.41 GPa。爆轰压力范围介于36.75 GPa–47.43 GPa。     

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.     

三维氧化铁/石墨烯的构建及其对CL-20的热分解性能的影响

High-performance solid propellants are very important for the development of modern weapons. Aside from their high energy and high burning rate, safety performance is regarded as the most important factor that should be considered whenever a new solid propellant recipe is formulated. Therefore, exploring a new type of combustion catalyst that can improve both catalytic activity and reduce the sensitivity of the energetic component is significant. Traditionally, transition metals or metal oxides are used as a combustion catalyst for accelerating the thermal decomposition of energetic components. However, the existing problem of these catalysts is the aggregation of particles accompanied by poor surface area. Coupling metal oxides with graphene is a promising approach to obtain a binary composite with stable structure and large specific surface area. In this work, rod-like and granular Fe₂O₃ nanoparticles were synthesized using a hydrothermal method. Then, the two as-prepared Fe₂O₃ nanoparticles were coupled with graphene sheets using an interfacial self-assembly method, which can effectively prevent the aggregation of Fe₂O₃ particles and simultaneously increase the active sites that participate in the reaction. X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy were used to identify the phase states and chemical compositions of the prepared samples. The morphology and internal structures were further demonstrated through scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and nitrogen adsorption-desorption tests. Both phase analysis and structure identification indicate that the prepared Fe₂O₃/G has high purity and high surface area. The catalytic performance of the prepared Fe₂O₃ and Fe₂O₃/G in the thermal decomposition of hexanitrohexaazaisowurtzitane (CL-20) was evaluated based on thermal gravimetric analysis-infrared spectroscopy (TGA-IR) and differential scanning calorimetry (DSC) tests. The non-isothermal decomposition kinetics of CL-20, Fe₂O₃/CL-20, and Fe₂O₃/G/CL-20 were further studied by DSC. The results reveal the excellent catalytic activity of Fe₂O₃/G in the thermal decomposition of CL-20, which is attributed to the presence of abundant pore structure and large surface area. The reaction mechanisms of the exothermic decomposition process of CL-20, Fe₂O₃/CL-20, and Fe₂O₃/G/CL-20 were obtained by the logical choice method, and the composites all followed same mechanism function model as CL-20. Through comparison, the rod-like Fe₂O₃ coupled with graphene was found to have the best catalytic activity in the thermal decomposition of CL-20. Thus, the rod-like Fe₂O₃ and its Fe₂O₃/G composite were used to investigate their influence on the impact sensitivity of CL-20 by fall hammer apparatus. The results show that rFe₂O₃/G can effectively decrease the impact sensitivity of CL-20 compared with pure CL-20 and rFe₂O₃/CL-20. Therefore, rFe₂O₃ coupled with graphene not only promotes the thermal decomposition but also improves the safety performance of CL-20.     

Theoretical studies of the NTO unimolecular decomposition

This work studies 39 decomposition paths among 18 intermediates and 14 transition states. Three types of intra-molecular proton migration and the direct scission of C–NO₂ were regarded as the initial steps of the unimolecular decomposition of NTO. The activation energies of the radicalization C–NO₂ homolysis step are 79.158, 79.781 and 80.652 kcal mol⁻¹. The activation energies of the ionization C–NO⁻¹₂ scission step are 262.488, 263.138 and 272.278 kcal mol⁻¹. The bottle neck activation energies of the C–NO₂H cleavage are 54.936, 63.257 and 71.247 kcal mol⁻¹. Two paths have the smallest bottle neck activation energy. Both of them have two proton migration steps and one internal rotation step prior to C–NO₂H cleavage. At lower temperatures, energy accumulated slowly. When the energy is high enough and reaction time is long enough for structure transformation, these two mechanisms should be the most probable decomposition paths. At high temperatures, the shortest (four steps) mechanism which goes through radicalization C–NO₂ scission should be the dominant path. There are five tautomers found in this study. Four of them are intra-molecular proton migration tautomers. The other one is an internal rotational tautomer. Their energy barriers for structure transfer are lower than any of the activation energies of the decomposition reactions. It may be regarded as one explanation of the insensitive property of NTO.     

金属串配合物[Ni3(L)4(NCS)2](L = dpa-, mpta-, mdpa-, mppa-)结构和磁性的理论研究

应用密度泛函理论BP86方法结合自然键轨道分析方法对具有分子导线潜在应用前景的金属串配合物[Ni₃(L)₄(NCS)₂](L = dpa^- (1), mpta^- (2), mdpa^- (3), mppa^- (4))进行研究,分析了桥联配体L对Ni―Ni相互作用和磁耦合性质的影响.结果得到: (1)配合物的基态均是对应于五重态(HS)的反铁磁(AF)单重态, HS的能量和结构与AF态相近, Ni₃⁶⁺链形成了三中心四电子σ键(σ₂σ_nb¹σ^*1). (2) dpa^-引入甲基成为mdpa^-,对Ni―Ni、Ni―N距离影响不大; 3H-吡咯环和噻唑环取代吡啶环后, N1―N2、Ni―Ni距离增大, Ni2―N2键长缩短,但噻唑环的影响较小;故Ni―Ni相互作用强度为1 ≈ 3 > 2 > 4. (3)预测了3和4的J_ab值为-103和-88 cm^-1,随Ni―Ni相互作用增强磁耦合效应增大. Ni―Ni相互作用越大,通过Ni₃⁶⁺链σ型轨道的直接磁耦合越强; Ni2―N2键越强,通过涉及桥联配体的间接磁耦合越强,直接磁耦合比间接磁耦合更强.