Vo1.34 高等学校化学学报 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES No.11 2558~2565 2013年11月 』doi:10.7503/cjcu20130568 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 刘冬梅 ,赵 丽 ,肖继军 ,陈 军 ,姬广富 , 朱伟。,赵锋 ,吴 强 ,肖鹤呜 (1.南京理工大学化工学院,分子与材料计算研究所,南京210094; 2.中国工程物理研究院冲击波物理与爆轰物理国防技术重点实验室,绵阳621900; 3.嘉兴学院生物与化学工程学院,嘉兴314001) 摘要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—NO 的最大键长(L…)的逐渐增大以及引发键连双原子作用能(E )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,J…均大于HMX晶体的L…, 与HMX相比,RDX的E 一 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…,E 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. 关键词环三亚甲基三硝胺;环四亚甲基四硝胺;分子动力学模拟;感度;力学性能 0641;TJ55 文献标志码A 中图分类号RDX(环三亚甲基三硝胺,又名黑索金)和HMX(环四亚甲基四硝胺,又名奥克托今)均为常见的 高能单体猛炸药,可作为混合炸药、传爆药、固体推进剂和发射药配方中的高能组分或氧化剂使用, 而应用在航天、国防和国民经济等诸多领域.因为二者均为环杂硝胺类化合物,分子结构相似(图1) 并具有类似的热解和起爆机理 l卫J,放在一起作比较研究,可抵消非本质因素造成的系统误差,同时可 利于突出共性和差异,揭示本质和规律性.虽然关于RDX和HMX的分子动力学(MD)理论研究已较 多 “ ,但对二者的结构、能量、性质及其温度效应作比较的MD模拟至今仍未见报道. 感度是炸药在外界刺激下发生爆炸的难易程度,其一直是炸药化学、工艺学及爆炸理论关注的重 点.各类型感度主要由实验测定¨ ,但人们希望可以通过理论方法对其加以判别.但迄今为止,在微 观层次上,利用量子化学等理论方法判别单体炸药感度的报道较多_】 系的报道_l ;然而, ,近期才有借助MD模拟结 果,以研究引发键最大键长(L )、引发键连双原子作用能(E 一。)和内聚能密度(CED)与感度之间关 ,E 一 和CED等理论参量是否适用于不同炸药感度相对大小的判别和比较 等问题有待解决. 收稿日期:2013-06-18. 基金项目:国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金(批准号:U1230120)和国防基础科研计划(批准号 B15201 10002)资助. 联系人简介:肖继军,男,博士,教授,博士生导师,主要从事理论和计算化学在高分子材料中的应用研究. E—mail:xiao jijun@mail.njust.edu.cn 肖鹤鸣,男,教授,博士生导师,主要从事量子化学、分子动力学及其对含能材料结构、性能和设计的应用基础研究 E—mail:xiao@mail.njust.edu.cn N0.11 刘冬梅等:不同温度下HMX和RDX晶体的感度判别和……预估——分子动力学比较研究 (A) o o (B) 。’ 2559 l l1 H2C/ \cH^ /』\c/ \N 。 H\C\N/ C ’ 0 0 Fig.1 Molecular structures of RDX(A)and HMX(B) 力学性能是高能材料最重要的实用性能之一,关系到其制备、加工、生产和使用.力学性能和感 度一样,主要靠实验测定.但实验只能提供常温下的测定结果,且至今缺乏统一规范的比较标准.提 供不同温度下的感度判别方法和力学性能预估结果,不仅具有重要的理论意义,而且具有重大的实用 价值.提供物质结构及性能随温度而变化的统计规律,正是MD方法的优势和特长,将其用于有安全 隐患的高能物质则更为合适 引. 因此,本文选用Accelrys公司的Ms程序和COMPASS力场 ,构建了适合用于相互比较的 HMX和RDX的等原子超晶胞模型,在5个不同温度(195,245,295,345和395 K)和NPT系综下,完 成MD研究,重点探讨了结构、能量和力学性能及其与感度的关系,并将结果用于不同体系(HMX和 RDX)感度判别的比较研究. 1 MD模拟方法和细节 1.1力场选择和模型构建 选择COMPASS力场 能的研究 H~17,28-30]. 进行MD模拟的原因在于其特别适用于凝聚相和硝胺类炸药的结构和性 RDX和HMX晶体的单胞结构取自文献[31,32]中的中子衍射结果.每个单胞均含8个RDX分子 和2个HMX分子.分别建立(2x2x3)RDX超晶胞和(3x3x4)HMX超晶胞,使分别包含96个RDX分 子和72个HMX分子的2个模拟周期箱中均包含2016个原子,即模拟体系大小和质量相等,有利于模 拟结果的合理比较.上述2种晶体的单胞结构和超晶胞初始模型如图2所示. (A) (B) 一 Fig.2 Primitive cells(A,C)and initial supercell models(B,D)of RDX(A,B)and HMX(C,D) 高等学校化学学报 1.2模拟过程 将(2x2x3)RDX和(3×3×4)HMX的超晶胞分别在COMPASS力场及NPT系综下进行MD模拟. /a胛J d8 ,a 景.I 蠹 模拟过程中温度和压力的控制分别采用Anderson_3。 和Parrinello 方法,范德华(vdW)和静电作用 5 O 5 O 5 0 5 0 5 如 (Coulomb)的计算则分别采用Atom—based和Ewald_3 加和方法,截断半径9.5x10圳m,并进行截断尾 部校正. 依次选取温度为195,245,295,345和395 K;初始分子运动速度按Maxwel1.Boltzmann分布确定; 基于周期性边界条件和时间平均等效于系综平均等假设,求解牛顿运动方程;积分计算采用Verlet方 法.时间步长取1 fs.总模拟步长取1.5 ns,其中前0.5 ns用于平衡,后1 BS用于统计分析. 1.3平衡判别和平衡结构 体系的平衡可由温度和能量同时达到平衡予以确定.通常当温度和能量在5%一10%范围内波动 即可认为体系已达平衡. 本文以HMX和RDX晶体在295 K下的MD模拟为例,从其温度一时间和能量.时间曲线(图3)可 见,二者均已达热力学平衡. 3l0 305 300 295 290 要 击 285 280 275 0 50000 100000 150000 200000 t/fs ,_、 要 击 0 50000 100000 1 50000 200000 t/fs Fig.3 Time-evolutions of the temperatures(A,C)and energies(B,D)of RDX(A,B)and HMX(C,D)crystals at 295 K (B)and(D)口.Total nonbond enery;b.potgentila energy. 经MD模拟共获得RDX和HMX晶体5个温度下的平衡结构.本文仅以295 K的结果为例,结果 示于图4中. (A) Fig.4 Equih'brium structures of RDX(A)and HMX(B)at 295 K No.11 刘冬梅等:不同温度下HMX和RDX晶体的感度判别和……预估——分子动力学比较研究 2561 2结果与讨论 2.1 引发键最大键长与感度的关系 高能化合物的引发键是其分子中所有化学键中最弱的,在外界作用下该键将优先断裂而引发分解 4 2 O 8 6 4 2 0 2 和起爆,N—N0 键就是硝胺类高能物质的热解或起爆的引发键 .通常实验和理论计算只给出 分子中的平均键长,而MD模拟可提供N—N0 键长的统计分布,对于探讨高能体系的起爆、感度和 安全性具有重要意义.表1列出了基于MD模拟轨迹所得的不同温度下RDX和HMX晶体中N—NO: 键的最可几键长(L )、平均键长(L 。)和最大键长(,J )值.以295 K的结果为例,图5给出了二者 的N—N0 键的键长分布情况.图6给出了RDX及HMX平衡体系中N—N0 键的最大键长与温度的 关系. Table 1 Lp b,L and L for N—NO2 trigger bond in RDX and HMX crystals at diferent temperatures 一 一一N.. 7) H 8 6 4 2 0 0.08 0.10 0 12 0 14 0 l6 O.18 0.2O 0.08 O.10 0.12 0.14 0.16 0 l8 O 2O 三N—N/nm 三N—N/nm Fig.5 N—No2 trigger bond length distributions in RDX(A)and HMX(B)crystals 近.两者平均键长和最可几键长随温度升高的变化 Fig.6 Maximum bond length of N—No trigger 很小,而最大键长(L )随温度升高显著增大,与 感度随温度升高而增大的实验结果一致.由表1和bond ersus temperature in RDX(a)and HMX(西)crystals 图6还可见,在每个温度下,RDX的 …均大于HMX,这与RDX比HMX感度大的实验结果相吻合. 由此可见,可利用RDX和HMX晶体中引发键(N—N0:)的Lm=判别这些化合物的热和撞击感度的相 对大小,该结论与之前在混合和缺陷高能体系中已发现的结果一致 0,H, ' .虽然 布中只占10一,但仍值得特别关注;具有 生化学反应的碰撞理论可知,具有 2.2 引发键连双原子作用能与感度的关系 键长在统计分 的分子能量很高,非常活泼,根据只有活化的分子才能发 的活泼分子中的引发键最容易断裂,进而引发分解和起爆. 将RDX和HMX晶体中引发键连双原子相互作用能(E 一 )定义为 EN—N=(ET—ET )/凡 (1) 式中, 和 分别为体系在所用COMPASS力场框架下的总能量和固定所有N原子而求得的总能量, 2562 高等学校化学学报 凡为体系中N—NO 的数量.表2和表3分别给出了MD模拟所得到的不同温度下RDX和HMX晶体 -中的E 一 及其相关分量. Table 2 Interaction energies N_N and their components at different temperatures for RDX crystals Table 3 Interaction energies N N and their components at diferent temperatures for HMX crystals 由表2、表3和图7可见,随着温度的升高, RDX和HMX晶体中的E 一 单调递减,与感度随温 度升高而递增的实验结果相符.从表2还可见, E 主要由式(1)中 和 中的静电力之差值所 决定,其中vdW力和内势能的贡献量很小.由图7 还可见,在不同温度下,HMX晶体的该双原子作用 能E 一 均比RDX晶体的大,与HMX感度小于 RDX的实验结果一致.由此可见, ~ 与 的相对大小. 2.3 内聚能密度与感度的关系 i 均与 。 Interaction energy(EN—N)VS.temperature or fRDX(a)and HMX(b)crystals 键强度相关,均可用于判别高能物质热和撞击感度 …内聚能密度(CED)是单位体积内1 tool凝聚体克服分子间作用力变为气态时所需的能量,可由实 验测得.在MD模拟中,CED是范德华(vdW)力与静电力之和,即分子间的非键力. 表4给出了基于MD模拟轨迹求得的不同温度下RDX和HMX晶体的内聚能密度及其分量,图8 为其图示. Table 4 Cohesive energy densities CED and their components of RDX and HMX crystals at diferent temperatures }CED=E dw+EElect 1alic. 由表4和图8可见,随着温度的升高,RDX和HMX晶体的CED,vdW力和静电力均单调递减,表 明它们由晶态变为气态时所需能量变小,这与温度升高感度增大的实验结果一致;在同一温度下, RDX晶体的CED均小于HMX晶体的相应值,与RDX感度大于HMX的实验结果相符. 由此表明,RDX和HMX晶体中的CED在一定条件下也可用于热感度相对大小的理论判别. No.11 刘冬梅等:不同温度下HMX和RDX晶体的感度判别和……预估——分子动力学比较研究 2563 目 9 Fig.8 CED(a),vdW(b),and electrostatic(C)energies . temperature of RDX(A)and HMX(B)crystals 2.4弹性力学性能 弹性力学性能的基本参量主要有弹性系数、工程模量和泊松比.模量是评价材料刚性的指标,是 材料抵抗弹性形变能力的度量.材料硬度与其拉伸模量(E)和剪切模量(G)密切相关,其值越大,材料 的硬度越高.材料断裂强度的大小由体模量( )度量,K值越大,表明断裂所需能量越大,即材料断裂 强度越大.表5和表6分别列出了基于MD模拟轨迹由静态法分析所得不同温度下RDX和HMX晶体 的力学性能. Table 5 Mechanical properties at different temperatures for RDX crystal 由表5和表6可见,随着温度升高,RDX和HMX晶体的拉伸模量、体模量和剪切模量均呈下降 趋势,表明其刚性、硬度和断裂强度均随温度升高而下降,与实验结果相符.但随着温度升高,体系模 量减小,按通常观点 ∞J,模量减小会使体系感度下降,这与感度随温度升高而递增的实验结果不 符.分析原因可能在于影响感度的因素很多,随着温度的升高,分子运动加快,体系的结构(如引发键 最大键长)和能量(如引发键连双原子作用能)改变较大,且结构(L )和能量(E 一 )对感度的影响成 为主导因素,超过了力学性能变化对感度的影响,即力学性能(模量)对感度的影响已成为次要因素. 2.5理论和实验验证 本文MD模拟研究结果,得到了之前相关理论与实验工作的充分支持.首先,随着温度升高,分子 运动加快,炸药必定更易于分解起爆,感度增大;随着温度的升高,物质的弹性力学性能必然由刚变 柔,由硬变软,均符合实验结果. 其次,经量子化学动态理论计算,在密度泛函理论(DFT)一(U)B3LYP/6-31G一水平下求得的RDX 和HMX引发键(N—NO )的均裂反应键离解能(BDE),即该均裂反应的活化能,分别为153.80 (152.09 )和166.48 kJ/mol ,后者大于前者,证明在外界刺激下,RDX比HMX更易分解起爆. RDX和HMX晶体前沿带隙(△E =ELUM0一E oMo)的DFT计算值分别为3.32和3.62 eV ,后者大于 前者,根据第一性原理带隙判据,说明HMX晶体比RDX晶体钝感. 在实验方面,真空安定性实验(100℃,48 h放气量) 18]:HMX为0.06 mL/g,RDX为0.07 mL/g; 热失重实验(100℃,48 h失重)¨ :HMX为0.025%,RDX为0.09%.比较发现,与RDX相比,HMX 的放气量小,失重也小,说明HMX的热安定性好于RDX.HMX和RDX的爆发点u (5 S,延滞期)分别 7 9 m n 2564 高等学校化学学报 Vo1.34 为327和230℃,说明HMX的热感度小于RDX. 此外,实验上测得的50%爆炸特性落高 H5。 (美国12型工具,2.5 kg落锤):HMX为32 cm, RDX为26 am,说明HMX的撞击感度比RDX的小. 3 结 论 本文在5个不同温度下,以等原子数超晶胞模型对HMX和RDX晶体进行了MD比较研究.二者 引发键N—NO 的平均键长(L )均接近实验值;最大键长(L…)随温度升高而单调递增,各温度下 RDX的 …值均大于HMX的,与感度随温度升高而增大以及RDX感度大于HMX的实验结果一致, 表明引发键的 …可用于判别高能物质热和撞击感度的相对大小.模拟所得RDX和HMX晶体中引发 键连双原子作用能(E 一 )和内聚能密度(CED)均随温度升高而单调递减,且在各温度下HMX晶体的 E 和CED均大于RDX的相应值,表明E 一 和CED与感度之间存在负相关关系,E 一 和CED亦可 用于热和撞击感度的相对大小的判别.基于MD模拟原子运动轨迹和静态力学分析,求得HMX和 RDX晶体的弹性力学性能,结果发现,随着温度升高,二者的模量减小,表明刚性降低,强度减小,与 实验结果一致.本文对不同温度下HMX和RDX晶体热和撞击感度相对大小的判别以及力学性能的预 估,为高能物质安全性研究和配方设计提供了有益的信息和参考. 感谢中国工程物理研究院化工材料研究所李金山研究员提供的帮助 参1 2 3 4 考文献 Brill T.B.,Brush P.J.,Gray P.,Kinloch S.A.,Philos.Trans.R.Soc.London A,1992,39(1654),377_385 Zhou T.T.,Huang F.L., P .Chem.B,2011,115,278—287 Bedrov D.,Simth G.D.,Sewell T.D., Comput.,AidedMater.Des.,2001,8,77—85 Chem.Phys.,2003,119,7417--7426 Sewell T.D.,MenikoffR.,Bedrov D.,Smith G.D., 5 6 Manaa M.R.,Fried L.E.,Melius C.F.,Elstner M.,Frauenheim T., Chem.Phys.A,2002,106(39),9024---9029 Strachan A.,van Duin A.C.,Chakraborty D.,Dasgupta S.,Goddard III W.A.,Phys.Rev.Lett.,2003,91(9),098301-1—— 098301-4 Zheng L.,Thompson D.L., Chem.Phys.,2006,125(8),084505—1---084505-9 Agrawal P.M.,Rice B.M.,Zheng L.,Thompson D.L.,J.Phys.Chem.B,2006,110(51),26185--26188 Xiao J.J.,Zhu W.,Ma X.F.,Xiao H.M.,Huang H.,lJ J.S.,Mo1.Simu1.,2008,34(8),775一_779 Zhu W.,Xiao J.J.,Zhu W.H.,Xiao H.M., Hazard.Mater.,2009,164,1O82—1088 Cui H.L.,Ji G.F.,Chen X.R.,Zhang Q.M.,Wei D.Q.,Zhao F., Chem.Eng.Data,2010,55,312l_3129 Ge N.N.,Wei Y.K.,Ji G.F.,Chen X.R.,Zhao F.,Wei D.Q.,_,_Phys.Chem.B,2012,116,13696--13704 Akkbarzade H.,Parsafar G.A.,Bayat Y.,App1.Su Sci.,2012,258,2226--2230 Xiao J.J.,Zhao L.,Zhu W.,Chen J.,Ji G.F.,Zhao F.,Wu Q.,Xiao H.M.,Sci.China Ser.B,2012,55,2587--2594 Xiao J.J.,Wang W.R.,Chen J.,Ji G.F.,Zhu W.,Xiao H.M.,Physica B,2012,407,3504--3509 Xiao J.J.,Wang W.R.,Chen J.,Ji G.F.,Zhu W.,Xiao H.M.,Comput.Theor.Chem.,2012,999,21—27 Xiao J.J.,“s.Y.,Chen J,,Ji G.F.,Zhu W.,Zhao F.,Wu Q.,Xiao H.M., Mo1.Model,2013,19,8O3_809 Dang H.S.,Zhou F.F.,High Explosive and Related Materials and Performance,Science Press,Beijing,1989,252—253,266—-267 (董海山,周芬芬.高能炸药及其相关性能,北京:科学出版社,1989,252—253,266—267) [19] Xiao H.M.,ZhuW.H.,Xiao J.J.,PeiX.Q.,Chin. 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Keywords Cyclotrimethylene tirnitramine;Cyclotetramethylene tetranitramine;Molecular dynamics(MD) simulation;Sensitivity;Mechanical property (Ed.:Y,Z,A)