CL-20晶习研究及CL-20/TATB共晶的分子动力学模拟

【摘要】六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)是近年内出现的一种最高能量水平的笼型多硝胺化合物，具有很广阔的应用前景。本文根据晶体内部结构利用分子动力学模拟了溶剂乙醇、乙酸乙酯对CL-20晶体形貌的影响。计算其附着能并进行修正，溶剂挥发结晶得到的CL-20晶体形貌再与动力学模拟预测修正后的结果进行比较，通过理论数据揭示CL-20在溶剂中的结晶过程，对日后控制炸药结晶过程、炸药研发过程中选择合适的溶剂都有非常重要的意义。同时，基于共晶的设计原理和分子模拟技术，将CL-20和公认的顿感炸药三氨基三硝基苯（TATB）这两者在分子水平上实现结合，从而改变炸药的内部构成，形成一种具有特定结构和性能的多组分分子晶体结构（共晶），有望形成一种高能低感的共晶炸药，这将为含能材料的高能量和安全性提供一条崭新的途径。同时也会对实验室中共晶的研究提供理论支持。研究的主要内容为：（1）通过分子模拟的方法从CL-20晶体的内部结构出发，分别采用Materialsstudio中BFDH、AE和EquilibriumMorphology三种模型对CL-20的真空下可能的理论晶体形貌进行了模拟。将所得到的晶体形态理论模拟结果与已知的实际结晶习相比较，可以看出，BFDH和EquilibriumMorphology模型预测的结果与实际晶习略有差异，而AE模型由于考虑了晶体内部附着能的关系，因此，所得到的理论晶习更接近实际。另外，为研究CL-20在真空和溶剂中的晶体形貌和生成机理，基于CL-20的晶胞参数和主要生长面，分别构建了CL-20各晶面和乙醇、乙酸乙酯分子吸附的六种模型，用分子动力学模拟计算出溶剂分子与各晶面的吸附能，并据此修正各晶面的附着能，用附着能法对CL-20在乙醇和乙酸乙酯中的结晶形貌进行了预测，并与他人的实验结果进行了对比。结果表明，乙醇对CL-20生长速率并未产生影响，所以在乙醇中晶体外观并未改变。受乙酸乙酯抑制作用的影响，在乙酸乙酯中晶面生长速率依次为(002）>（10-1）>(101)，晶体外观为长柱形，说明晶型结构发生了转变。（2）基于CL-20的晶胞参数和主要生长面及共晶的形成原理，构建了六种CL-20/TATB共晶结构模型。运用Forcite及在MD下达到平衡后，基于平衡结构进行径向分布函数考察、X射线粉末衍射图谱计算及模型能量计算。结果表明：六种共晶模型分子间均存在较强的氢键作用力；随机取代模型的XRD衍射峰与纯组分CL-20的相近，主要生长面模型的XRD衍射峰较纯组分CL-20和TATB有很大不同，且均有新峰出现；生长速率最慢的（10-1）晶面被取代后的共晶模能量最低，结构也最稳定。基于能量计算、径向分布函数研究，TATB取代CL-20（10-1）晶面的共晶模型更容易形成。
【作者】文国；
【导师】闻利群；
【作者基本信息】中北大学，安全技术及工程，2014，硕士
【关键词】晶体形貌；X射线粉末衍射；CL-20/TATB共晶；分子动力学；附着能；

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