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CL-20晶习研究及CL-20/TATB共晶的分子动力学模拟

作　者: 文国
导　师: 闻利群
学　校: 中北大学
专　业: 安全技术及工程
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
分类号: TQ560.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

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Materials studio中BFDH、AE和Equilibrium Morphology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Equilibrium Morphology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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-16
  1.1 引言  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-14
  1.3 研究的目的意义及研究内容  14-16
    1.3.1 研究的目的及意义  14-15
    1.3.2 研究内容  15-16
2 模拟研究方法介绍  16-22
  2.1 分子动力学方法  16-18
    2.1.1 Discover  17-18
    2.1.2 Forcite  18
  2.2 第一性原理方法（密度泛函理论）  18-19
  2.3 力场的选择  19
  2.4 晶体结构预测方法  19-22
    2.4.1 Morphology  19-21
    2.4.2 ReflexPlus  21-22
3 CL-20 晶体的理论晶体形貌预测  22-30
  3.1 BFDH 晶体生长模型  22-24
    3.1.1 计算方法  22-23
    3.1.2 计算结果  23-24
  3.2 AE 晶体生长模型  24-26
    3.2.1 计算方法  24-25
    3.2.2 计算结果  25-26
  3.3 Equilibrium Morphology 晶体生长模型  26-27
    3.3.1 计算方法  26
    3.3.2 计算结果  26-27
  3.4 分析与讨论  27-28
  3.5 本章小结  28-30
4 结晶过程中溶剂分子对 CL-20 晶习的影响  30-44
  4.1 乙醇和乙酸乙酯对 CL-20 晶习的影响  30-42
    4.1.1 计算方法  30-31
    4.1.2 乙醇分子和乙酸乙酯分子结构的构建与优化  31
    4.1.3 CL-20 表面模型的构建及优化  31-32
    4.1.4 吸附过程的分子动力学模拟  32-39
    4.1.5 溶剂分子在不同晶面结合能的计算  39-40
    4.1.6 溶剂中 CL-20 晶习的预测  40-42
  4.2 本章小结  42-44
5 CL-20/TATB 共晶的分子动力学模拟  44-53
  5.1 计算方法  45-48
    5.1.1 模型的建立  45
    5.1.2 模型的优化及分子动力学模拟  45-47
    5.1.3 X 射线粉末衍射图谱模拟  47
    5.1.4 径向分布函数分析  47-48
  5.2 模拟与讨论  48-52
    5.2.1 共晶体系平衡的判别  48
    5.2.2 CL-20 晶体主要生长面的预测与分析  48-49
    5.2.3 CL-20/ TATB 共晶结构能量计算  49
    5.2.4 CL-20/ TATB 共晶体系的径向分布函数  49-51
    5.2.5 XRD 图谱研究  51-52
  5.3 本章小结  52-53
6 结论  53-54
参考文献  54-58
在攻读硕士期间发表的论文  58-59
致谢  59-60

CL-20晶习研究及CL-20/TATB共晶的分子动力学模拟

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