苗瑞珍, 劉偉帥, 王 建, 康志鵬, 楊潞霞, 荊興斌, 付一政, 劉亞青

(1. 中北大學山西省高分子復合材料工程技術(shù)研究中心, 山西 太原 030051; 2. 中北大學材料科學與工程學院, 山西 太原 030051; 3. 山西大學商務(wù)學院 信息學院, 山西 太原 030051)

1 引 言

近年來,由Nielsen A T[1]首次合成的六硝基六氮雜異伍茲烷(HNIW,CL-20)由于具有高的能量密度比以及優(yōu)異的爆速和爆壓性能,引起研究者廣泛的關(guān)注。然而,較高的感度制約了它在武器方面的應(yīng)用,如何平衡能量與安全性之間的矛盾已成為研究難點。有研究表明,通過制備共晶可降低CL-20感度,如CL-20/三硝基甲苯(TNT)[2-3],CL-20/環(huán)四亞甲基四硝胺(HMX)[4]和CL-20/苯并三氧化呋咱(BTF)[5],其中王玉平[6]合成的摩爾比為1∶1的CL-20/1,3-二硝基苯(DNB)共晶兼具了CL-20高能和DNB鈍感廉價的優(yōu)勢,具有優(yōu)異的使用價值。

目前,關(guān)于CL-20熱解機理的研究比較多,Isayev[7]運用從頭算分子動力學方法分別研究了單分子和凝聚態(tài)CL-20的熱解機理,結(jié)果表明二者熱解路徑并不完全相同,其中NO2的生成勢壘決定了整個反應(yīng)的熱解動力學。張力等[8]運用ReaxFF力場對不同溫度和密度條件下CL-20單分子和超晶胞的初始熱解路徑進行了研究,結(jié)果表明不同密度和溫度條件只會對熱解的速率有影響,熱解機理不受影響。Patil和Brill[9]通過恒溫熱失重法和FTIR光譜法研究了CL-20熱解動力學,結(jié)果表明低溫時N—O2鍵的斷裂反應(yīng)決定其熱解速率,其他氣體產(chǎn)物的濃度比是溫度的函數(shù)。由于DNB比較鈍感,一般不單獨使用,所以對其熱解機理的研究比較少,對CL-20/DNB共晶熱解機理的研究更少。含能材料主要通過在極端條件下發(fā)生復雜的化學反應(yīng)釋放能量,反應(yīng)速度非?？?實驗研究物質(zhì)的熱解機理存在難度。反應(yīng)分子動力學模擬可以描述原子水平和飛秒尺度上化學反應(yīng)的詳細信息,尤其是近期發(fā)展起來的ReaxFF反應(yīng)分子動力學方法,計算精度與量子力學相當,速度快,可以處理上百萬級原子的體系,時間尺度可達飛秒級別,有助于在原子水平上認識含能材料在極端條件下的反應(yīng)機理,得到其能量釋放規(guī)律[10]。此力場在很多含能材料的沖擊起爆、沖擊點火和爆轟反應(yīng)等反應(yīng)機理的研究方面得到廣泛應(yīng)用[11-23]。本研究基于ReaxFF力場,運用LAMMPS (large-scale atomic/molecular massively parallel simulator)軟件[24]研究了2000,2500 K以及3000 K條件下CL-20/DNB的熱解過程,通過分析產(chǎn)物隨模擬時間的變化得到其熱解引發(fā)機理,以期為新材料的設(shè)計、開發(fā)、合成、運輸、起爆、安全性和風險評估等實際問題提供理論指導。

2 ReaxFF力場簡介與模擬細節(jié)

2.1 ReaxFF力場簡介

ReaxFF[10]反應(yīng)力場基于第一性原理,由Adri van Duin和William A. Goddard提出,力場勢能函數(shù)以原子間的鍵級BOij(Bond Order)為基礎(chǔ)。ReaxFF力場的勢能表達式如下,其中主要分為鍵、角、二面角、共軛、庫侖、范德華及調(diào)整項等(單位: kJ·mol-1)。

Esystem=Ebond+Elp+Eover+Eunder+Eval+Epen+Ecoa+

EC2+Etriple+Etors+Econj+EH-bond+Evdwaals+ECoulomb

(1)

該系統(tǒng)中各能量項的具體意義為:Ebond表示鍵能:Elp是和孤對電子相關(guān)的能量補償項;Eover和Eunder分別是過配位的能量矯正項和低配位的能量矯正項;Eval、Ecoa、Epen是價角能量項；EC2是C2修正項;Etriple是三鍵修正項;Etors和Econj是四體作用項;EH-bond是氫鍵作用項;Evdwaals和ECoulomb分別是范德華和庫倫作用項。其中,Ebond、Eval、Etors是依賴于鍵級的價鍵相互作用。

2.2 模擬

CL-20/DNB共晶X-ray衍射數(shù)據(jù)來源于劍橋晶體學數(shù)據(jù)庫(CCDC NO.940129),由CL-20(圖1a)和DNB(圖1b)按摩爾比為1∶1組成,屬于正交晶系,Pbca空間群,晶格參數(shù)a=9.4703 ?,b=13.4589 ?,c=33.620 ?。首先運用MS 6.0(Materials Studio 6.0)軟件[25]構(gòu)建CL-20/DNB的單晶胞模型,如圖2a所示,為了避免溫度和升溫速率波動對反應(yīng)的影響,構(gòu)建了2×2×1的超晶胞模型,共1664個原子,如圖2b所示。

a. CL-20b. DNB

圖1CL-20和DNB的分子結(jié)構(gòu)

Fig.1Molecular structures for CL-20 and DNB

運用Lammps軟件[24]對CL-20/DNB超晶胞進行優(yōu)化以獲得合理的初始構(gòu)型,在300 K下進行500 ps等溫等容分子動力學模擬(Canonical ensemble,NVT),接著采用(iso-thermal-isobaric,NPT)系綜對其壓力進行10 ps弛豫,壓力為0 GPa。為了驗證ReaxFF力場的實用性,將CL-20/DNB共晶在常溫下的晶胞參數(shù)與相應(yīng)實驗值[6]進行了對比,結(jié)果如表1所示,由表1可得,ReaxFF力場作用下的模擬值與實驗值具有較好的一致性,說明ReaxFF力場可用于CL-20/DNB共晶的研究。最后分別在2000,2500 K和3000 K下進行50 ps的NVT分子動力學計算,選擇上述高溫條件主要是為了模擬常規(guī)高能量密度材料爆轟中柴普曼-柔格(CJ)點的溫度波動,得到不同溫度對共晶熱解反應(yīng)的影響,并且能夠兼顧計算機的運算能力與所用時間(在不影響反應(yīng)路徑的條件下提高溫度可以加快反應(yīng),節(jié)省時間)。采用Berendsen方法[26]對溫度和壓力進行控制,耦合參數(shù)為100 fs,使其在設(shè)定的范圍內(nèi)波動,采用周期性邊界條件,步長為0.1 fs,每隔50 fs記錄一次原子軌跡以及鍵級信息,鍵級為0.3。

a. unit cell

b. supercell

圖2CL-20/DNB共晶單胞結(jié)構(gòu)和超晶胞結(jié)構(gòu)

Fig.2The unit cell and supercell structures of CL-20/DNB cocrystal

表1常溫下CL-20/DNB共晶晶胞參數(shù)模擬值與實驗值

Table1The lattice parameters of the cocrystal of CL-20/DNB calculated by ReaxFF force field compared with the experiment value

latticeparameterexperimentvalue[6]ReaxFFerror/%a/? 9．4703 9．5606 0．95b/? 13．4589 13．5872 0．95c/? 33．620 33．9406 0．95density/g·cm-3 1．880 1．82679 -2．8

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度對勢能和總物種數(shù)的影響

圖3給出了不同溫度下體系勢能和總物種數(shù)隨時間的變化情況。從圖3a看不出明顯的平衡和誘導期,體系迅速吸收熱量發(fā)生初級熱解反應(yīng),隨著反應(yīng)的進行,熱解生成一系列中間及最終產(chǎn)物,并放出大量的熱,因而勢能發(fā)生明顯的下降; 溫度越高,系統(tǒng)達到反應(yīng)平衡所需時間越短,熱解反應(yīng)越完全,生成的產(chǎn)物越多,勢能下降也越多。

由圖3b可知,初始晶胞內(nèi)只有CL-20和DNB兩種物質(zhì),幾乎在0.01 ps時就有產(chǎn)物生成,熱解溫度為2500 K和3000 K時物種總量分別在25 ps和6.9 ps內(nèi)達到了最大值,隨著反應(yīng)的進一步發(fā)生呈現(xiàn)一定程度的衰減。而在較低的溫度(2000 K)時,前5 ps內(nèi)物種迅速增加到50種,而后緩慢增加。由此可知,溫度越高,共晶分解速率越快,初期產(chǎn)生的新物種數(shù)量越多。

3.2 共晶熱解的引發(fā)反應(yīng)機理

圖4為2000,2500 K和3000 K下CL-20及DNB的消耗情況和主要產(chǎn)物的分布。由圖4a可知,三個溫度下CL-20在0.05 ps時均分解完畢,而DNB消耗較慢,隨著溫度的升高其消耗速率顯著加快。由圖4b,圖4c,圖4d可知,熱解產(chǎn)物主要有NO2、N2、NO、H2O、HNO3、HONO、HON以及CO2等。每個溫度下最早生成的產(chǎn)物均為NO2,其含量在0.05 ps時就達到了最大值,它是由CL-20中N—O2鍵和DNB中C—NO2鍵斷裂共同作用的結(jié)果,—NO2鍵的斷裂是CL-20/DNB熱解的主要引發(fā)反應(yīng)。對于CL-20這種典型的環(huán)狀硝胺類化合物來說N—NO2鍵的斷裂是其熱解的特征引發(fā)反應(yīng)[27],這與文獻[28-30]中的模擬結(jié)果一致。此外,也與Naik和Gore[31]得出N—NO2鍵的斷裂是CL-20熱解過程中生成其他小分子產(chǎn)物的前提這一實驗結(jié)論相互吻合。DNB中的C—NO2鍵斷裂生成NO2是其主要引發(fā)反應(yīng),因為C—NO2鍵是硝基芳香化合物中最弱的鍵[11]。

a. potential energy

b. total species

圖3不同溫度下體系勢能以及反應(yīng)過程中總物種數(shù)量隨模擬時間的變化

Fig.3Time evolution of potential energy and total species at various temperatures

a. CL-20 and DNBb. 2000 K

c. 2500 Kd. 3000 K

圖4不同溫度下CL-20及DNB的消耗情況和主要產(chǎn)物隨模擬時間的變化

Fig.4Time evolution of consumption of CL-20 and DNB and main products at various temperatures

3.3 一些主要產(chǎn)物的生成機理以及溫度的影響

3.2節(jié)的分析表明,NO2是共晶熱解引發(fā)反應(yīng)所產(chǎn)生,不同溫度下,各主要產(chǎn)物隨時間的變化如圖5所示,由圖5a可知,NO2數(shù)量在達到最大值后會迅速減小,這是由于次級反應(yīng)消耗掉大量的NO2,生成NO、HONO和HNO3等物質(zhì)。然而在5 ps(2000 K),6 ps(2500 K)和10 ps(3000 K)左右時NO2數(shù)量略有增加,這主要是由于DNB在此時開始快速分解引起。

NO主要的生成途徑有以下幾種: (1)兩個NO2自由基結(jié)合生成N2O4,接著繼續(xù)熱解生成NO3和NO; (2)對于DNB來說,由硝基重排形成亞硝酸鹽結(jié)構(gòu)(C—NO2→C—ONO),隨后O—NO鍵斷裂也會生成NO,這與具有相似結(jié)構(gòu)的TNT生成NO的機理相同[11]; (3)由CL-20中N—N鍵和DNB中C—N鍵斷裂生成的硝基自由基重排布形成亞硝酸鹽結(jié)構(gòu),通過奪取一個質(zhì)子生成HONO,接著分子中N—O鍵斷裂生成NO,這與Isayev[7]等對凝聚態(tài)CL-20熱解機理的研究所得結(jié)果相吻合; (4)NO2與含碳分子片段生成NO。NO和NO2的分布非常相似,也是先快速增大然后減少,大多參與反應(yīng)生成N2[11],且溫度越高,NO2和NO的消耗速率越快,生成N2的量越多,此過程中N2的量一直在不斷增多,如圖5c所示,也進一步驗證了消耗掉的大部分NO2和NO生成了N2。

a. NO2b. NO

c. N2d. HONO

e. H2Of. CO2

圖5主要產(chǎn)物在不同溫度下的對比分布曲線

Fig.5Comparative distribution curves of main products at various temperatures

HONO的主要來源是CL-20和DNB中—NO2鍵斷裂生成的硝基自由基重排布形成亞硝酸鹽結(jié)構(gòu),通過奪取一個質(zhì)子所生成,如圖5d所示隨著反應(yīng)的進行HONO的數(shù)量先增多后減少,主要是由于HONO熱解消耗引起。

由圖5e可以看出H2O在整個熱解過程中數(shù)量先增加然后基本保持不變,溫度越高生成速率越快。水的生成路徑有: (1)兩個分子間發(fā)生質(zhì)子的轉(zhuǎn)移使硝基生成—NOOH,然后繼續(xù)奪取一個質(zhì)子生成—NOOH—H,接著脫去一分子的H2O; (2)NO2自由基重排生成的ONO自由基取鄰近分子中的質(zhì)子生成HONO,隨著反應(yīng)的進行,HONO會進一步熱解產(chǎn)生HO自由基,HO自由基繼續(xù)奪取質(zhì)子生成H2O,這與反應(yīng)過程中HONO先快速積累而后減少是一致的; (3)HNO3的熱解也可以產(chǎn)生H2O。

由圖5f可以看出CO2數(shù)量隨著反應(yīng)的進行不斷增多,且溫度越高,CO2生成越早,在2000 K時一直到16.85 ps才有CO2生成,而在3000 K時在2.85 ps就有CO2產(chǎn)生,這是由于C—C鍵斷裂所需要的能量較多,一般是在環(huán)上基團脫去或者相互反應(yīng)后,主環(huán)上的C—C鍵才開始斷裂,進而反應(yīng)生成CO2。溫度為3000 K時,在40 ps后CO2數(shù)量基本保持不變,這與2000 K和2500 K的現(xiàn)象不同,其可能的原因在于,一方面高溫下隨著反應(yīng)的進行,生成的一些小分子片段運動速率加快,發(fā)生碰撞繼續(xù)聚合生成大分子含碳團簇的幾率變大,使得CO2數(shù)量減少; 另一方面隨著能量的積累,大的團簇又發(fā)生熱解,最終使得總的數(shù)量基本保持不變。通過對產(chǎn)物的分析可知,產(chǎn)物中確實有少部分大的含碳團簇,這是含能材料爆轟過程中的常見現(xiàn)象,一些富碳炸藥尤為明顯[32-35]。

4 結(jié) 論

(1)隨著溫度的升高,系統(tǒng)達到平衡時間越短,熱解反應(yīng)越完全,勢能下降越多,最終總產(chǎn)物生成越多。三個溫度下CL-20均先于DNB分解完畢,升高溫度DNB的消耗速率以及產(chǎn)物的生成顯著加快。CL-20/DNB共晶熱解的主要終產(chǎn)物為NO2、NO、N2、H2O、HNO3、HON、HONO、CO2等,還有一些重要的中間產(chǎn)物如N2O5、N2O4、OH自由基、N2O等。

(2)熱解反應(yīng)過程中,CL-20分子中N—NO2鍵和DNB分子中C—NO2鍵的斷裂生成NO2是最主要的引發(fā)反應(yīng),接著兩個NO2分子結(jié)合或者重排生成ONO自由基,進一步生成HONO、HON、NO、NO3、H2O等,其中大部分的NO2和NO繼續(xù)反應(yīng)生成N2。3000 K時對產(chǎn)物的分析表明在模擬后期會發(fā)生小分子片段的聚合生成大分子碳團簇的現(xiàn)象。

(3)本研究的熱解產(chǎn)物和引發(fā)機理與前人的一些結(jié)論相互吻合,說明了ReaxFF力場的實用性與正確性。

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