分子動(dòng)力學(xué)及熱分析方法研究CL-20與推進(jìn)劑主要組分的相互作用①

屈 蓓，唐秋凡，李吉禎，樊學(xué)忠，張正中

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

分子動(dòng)力學(xué)及熱分析方法研究CL-20與推進(jìn)劑主要組分的相互作用①

屈 蓓，唐秋凡，李吉禎，樊學(xué)忠，張正中

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

采用分子動(dòng)力學(xué)模擬(MD)計(jì)算與差示掃描量熱法(DSC)相結(jié)合，研究六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)與推進(jìn)劑主要組分間的相互作用，用理論鍵長(zhǎng)變化趨勢(shì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算鍵長(zhǎng)變化趨勢(shì)結(jié)果表明，CL-20與黑索今(RDX)、奧克托今(HMX)混合體系的引發(fā)鍵N—NO2鍵最大鍵長(zhǎng)Lmax隨溫度升高顯著的單調(diào)遞增，且當(dāng)CL-20與RDX、HMX共混后，鍵長(zhǎng)普遍增大，更容易斷裂分解；而CL-20與硝化棉(NC)、硝化甘油(NG)共混后各個(gè)鍵長(zhǎng)均與單質(zhì)狀態(tài)下存在時(shí)的鍵長(zhǎng)相比變化不大，一些鍵長(zhǎng)均小于其單質(zhì)狀態(tài)下存在時(shí)的鍵長(zhǎng)，推測(cè)CL-20與NG、NC鍵混合后穩(wěn)定性較好，不易發(fā)生鍵的斷裂分解。DSC結(jié)果表明，CL-20與RDX和HMX之間在大于156 ℃的較高溫度條件下存在強(qiáng)烈的相互作用，CL-20與NG、NC之間沒(méi)有明顯的化學(xué)作用。

分子動(dòng)力學(xué)模擬；六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)；固體推進(jìn)劑；相互作用

0 引言

六硝基六氮雜異伍茲烷(簡(jiǎn)稱(chēng)HNIW，俗稱(chēng)CL-20)是具有籠型多環(huán)硝胺結(jié)構(gòu)的一種能量水平較高的高能量密度化合物[1-3]，為白色結(jié)晶體，以CL-20為含能組分的高能炸藥或火藥均采用ε-CL-20[4]，其密度可達(dá)2.0 g/cm3，氧平衡為-10.95%，標(biāo)準(zhǔn)生成焓約900 kJ/kg，能量輸出比HMX高10%～15%[5]。由于其在推進(jìn)劑中具有很好的應(yīng)用價(jià)值，因此首先需要研究的是它與推進(jìn)劑主要組分間的相互作用。前期有學(xué)者借助熱重-微商熱重(TG-DTG)試驗(yàn)和差示掃描量熱(DSC)試驗(yàn)研究了含CL-20的NEPE推進(jìn)劑的熱分解特性，探索了主要組分NC、CL-20、AP和催化劑之間的相互作用[6]。但有關(guān)CL-20和推進(jìn)劑主要組分間相互作用的主要依靠實(shí)驗(yàn)研究，而相互作用機(jī)理及熱分解機(jī)理的理論和計(jì)算研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

近年來(lái)，分子動(dòng)力學(xué)模擬(Molecular dynamics simulation,MD)[7-8]方法作為發(fā)展較快的數(shù)值模擬方法，因其能在分子水平上研究材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)并揭示組分間的關(guān)系[9-13]，已經(jīng)成為了研究推進(jìn)劑宏觀(guān)性質(zhì)本質(zhì)的重要手段。已有研究通過(guò)運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)方法求得不同HMX晶體結(jié)構(gòu)下的平衡結(jié)構(gòu)、引發(fā)鍵鍵長(zhǎng)分布、引發(fā)鍵連雙原子作用能和彈性力學(xué)性能，結(jié)果中計(jì)算的引發(fā)鍵平均鍵長(zhǎng)(Lave)與實(shí)驗(yàn)值很接近；還研究了高能量密度化合物ε-CL-20晶體、HMX晶體、ε-CL-20/HMX共晶體及其混合物的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn),引發(fā)鍵最大鍵長(zhǎng)(Lmax)隨溫度升高的變化趨勢(shì)反映了物質(zhì)撞擊感度大小的變化趨勢(shì)；另外,還有運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算研究在NPT系統(tǒng)和不同溫度下ε-CL-20的超晶胞及其沿(001)晶面的模型切割，結(jié)果表明，Lmax、引發(fā)鍵連雙原子作用能(EN-N)和內(nèi)聚能密度可作為含能化合物熱感度和撞擊感度相對(duì)大小的理論判據(jù)[14-16]。

本文擬采用分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算與差示掃描量熱法相結(jié)合，研究CL-20與推進(jìn)劑主要組分間的相互作用，用理論鍵長(zhǎng)變化趨勢(shì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以期為CL-20在推進(jìn)劑中更好的應(yīng)用研究提供參考。

1 模擬與實(shí)驗(yàn)

1.1 模擬

1.1.1 模型構(gòu)建

運(yùn)用美國(guó)Accelrys公司開(kāi)發(fā)的Materials Studio 4.0(MS)軟件包中Visualizer模塊建立CL-20及相應(yīng)的推進(jìn)劑組分分子模型。考慮到模擬體系的分子大小對(duì)模擬效果的影響[17]和模擬效率因素，所建立的NC分子鏈由20個(gè)聚合單元組成，并以羥基封端。NC分子鏈上的—OH基團(tuán)和—NO2基團(tuán)的數(shù)目基于NC含氮量(11.87%)計(jì)算得到，并隨機(jī)分布于分子鏈上。

選擇Compass力場(chǎng)，在298 K、1.01×105Pa條件下，采用Smart Minimization方法對(duì)所構(gòu)建的分子模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的分子模型見(jiàn)圖1，紅色表示氧原子，藍(lán)色表示氮原子，灰色表示碳原子，白色表示氫原子。然后，利用Amorphous Cell模塊的Construction構(gòu)建CL-20、NG、RDX、HMX和NC單組分混合模型以及CL-20與推進(jìn)劑組分共混體系模型，單組分混合模型見(jiàn)圖2，混合體系模型見(jiàn)圖3。根據(jù)推進(jìn)劑實(shí)際配方中各組分的含量比例，其中CL-20與NC、NG、RDX、HMX按質(zhì)量比50/50建模，以期盡量逼近真實(shí)狀況。

1.1.2 模擬方法

利用Smart Minimization方法對(duì)所構(gòu)建的單組分混合模型與混合體系模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，根據(jù)各組分分解溫度，分別在453、473、493、513、533 K溫度條件下進(jìn)行MD模擬(壓強(qiáng)為100 kPa)。采用Andersen控溫方法，Berendsen控壓方法，各分子起始速度按Maxwell分布取樣，Velocity Verlet算法進(jìn)行求解，范德華和靜電作用。用Discover模塊進(jìn)行400 ps、時(shí)間步長(zhǎng)為1 fs的NPT(正則系綜，系統(tǒng)的粒子數(shù)N、壓強(qiáng)p和溫度T恒定)分子動(dòng)力學(xué)模擬，每100 fs取樣一次，記錄模擬軌跡。后200 ps體系已經(jīng)平衡(溫度和能量隨時(shí)間的變化率小于5%)，對(duì)其分子動(dòng)力學(xué)軌跡進(jìn)行分析，獲取不同溫度下混合體系各組分鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)

1.2.1 樣品及儀器

CL-20，西安近代化學(xué)研究所，純度大于99.0%；RDX和HMX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，粒徑20～40 μm；NG，西安近代化學(xué)研究所，阿貝爾試驗(yàn)大于30 min；NC，四川川安化工廠(chǎng)，含氮量12.6%。

Netzsch DSC 204 HP型高壓差示掃描量熱儀，德國(guó)耐馳儀器制造有限公司。試樣質(zhì)量約0.7 mg，普通鋁池卷邊，升溫速率為10 ℃/min，充壓氣體為高純氮?dú)?，?dòng)態(tài)氣氛，氮?dú)饬魉贋?0 mL/min。

1.2.2 DSC方法

將推進(jìn)劑各個(gè)單組分及CL-20與推進(jìn)劑各個(gè)單組分質(zhì)量比1∶1均稱(chēng)取約100 mg，混合后進(jìn)行DSC試驗(yàn)。根據(jù)DSC方法評(píng)估相容性的標(biāo)準(zhǔn)或判據(jù)[18]，以CL-20和各個(gè)組分混合物與CL-20的DSC分解峰溫之差△Tp為判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子動(dòng)力學(xué)模擬CL-20與推進(jìn)劑主要組分之間的相互作用

2.1.1 CL-20與RDX的相互作用分析

對(duì)于硝胺類(lèi)高能化合物，一般認(rèn)為其N(xiāo)—NO2鍵為引發(fā)鍵，即分子中最弱的化學(xué)鍵在受到外界刺激時(shí)將優(yōu)先斷裂。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬給出不同溫度下鍵長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分布，表1為CL-20、RDX各模型下N—NO2鍵及N—C鍵的平均鍵長(zhǎng)(Lave)及最大鍵長(zhǎng)(Lmax)，表2為CL-20、RDX各模型下N—O鍵及C—C鍵的Lave及Lmax。

表1 CL-20、RDX各模型中N—NO2鍵及N—C鍵的Lave和Lmax

由表1可見(jiàn)，在分解溫度段，隨溫度升高，CL-20、RDX及CL-20/RDX混合物中N—NO2鍵和N—C鍵的Lave和Lmax均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)?？梢栽O(shè)想，隨溫度升高，原子運(yùn)動(dòng)加快，偏離平衡位置振幅增大，造成鍵長(zhǎng)增加。雖然Lmax在平衡軌跡中出現(xiàn)的幾率僅為10-8，但具有最大鍵長(zhǎng)的這部分分子被活化，更易引發(fā)分解和起爆[16]。因此，溫度越高，越易發(fā)生熱分解。

相同溫度下，CL-20/RDX的混合物各組分的N—NO2鍵的Lave和Lmax均大于單質(zhì)狀態(tài)下存在時(shí)的N—NO2鍵長(zhǎng)，這說(shuō)明相比于單組分CL-20和RDX的分解，CL-20與RDX共混后CL-20和RDX的分解引發(fā)鍵N—NO2處于更不穩(wěn)定的狀態(tài)，更容易斷裂，產(chǎn)生吸附在CL-20表面的初期分解產(chǎn)物，這些產(chǎn)物直接催化了CL-20的分解[19]。

由表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在分解溫度段，隨溫度升高，CL-20、RDX及CL-20/RDX混合物中N—C鍵和C—C鍵鍵長(zhǎng)增大趨勢(shì)不明顯，說(shuō)明N—C鍵和C—C鍵相對(duì)更穩(wěn)定，不易發(fā)生斷裂分解。

綜合上述分析，可推測(cè)CL-20/RDX共混體系的初始分解溫度會(huì)比單組分的初始分解溫度要低。

2.1.2 CL-20與HMX的相互作用分析

通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬給出不同溫度下鍵長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分布，表3為CL-20、HMX各模型下N—NO2鍵及N—C鍵的Lave及Lmax，表4為CL-20、HMX各模型下N—O鍵及C—C鍵的Lave及Lmax。

表2 CL-20、RDX各模型中N—O鍵及C—C鍵的Lave和Lmax

表3 CL-20、HMX各模型中N—NO2鍵及N—C鍵的Lave和Lmax

與CL-20與RDX的相互作用分析中鍵長(zhǎng)變化規(guī)律類(lèi)似，在分解溫度段，隨溫度升高，CL-20、HMX及CL-20/HMX混合物中N—NO2鍵和N—C鍵的Lave和Lmax均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。溫度越高，越易發(fā)生熱分解。

由表3中N—NO2鍵和N—C鍵的Lave和Lmax數(shù)據(jù)變化可知，相同溫度下，CL-20/HMX的混合物各組分的N—NO2鍵和N—C鍵的Lave和Lmax均大于單質(zhì)狀態(tài)下存在時(shí)的鍵長(zhǎng)，這說(shuō)明CL-20與HMX共混后CL-20和HMX的分解過(guò)程中，N—NO2鍵和N—C鍵更易斷裂，會(huì)釋放出HCHO、N2O、NO2等分解產(chǎn)物，共混狀態(tài)在一定程度上促進(jìn)了雙方熱分解。由表4數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在分解溫度段，隨溫度升高，CL-20、HMX及CL-20/HMX混合物中較穩(wěn)定的N—C鍵和C—C鍵鍵長(zhǎng)變化不明顯。目前，也有研究[20]發(fā)現(xiàn)HMX在205 ℃發(fā)生C—N鍵和N—N鍵的斷裂，且在C—N鍵的斷裂中伴隨著N—N鍵的斷裂。同時(shí)環(huán)的張力增大，表明斷鍵的HMX產(chǎn)生分子內(nèi)重新結(jié)合。檢測(cè)到HMX的分解所釋放出的CO2、N2O、CO、NO、HCHO、HONO、NO2和HCN等8種氣體。根據(jù)HMX分解中凝聚相結(jié)構(gòu)的變化和氣相產(chǎn)物，推出HMX的分解機(jī)理：HMX產(chǎn)生C—N鍵的斷裂，會(huì)釋放出HCHO和N2O及HONO和HCN；N—N鍵的斷裂會(huì)釋放出NO2。這一結(jié)果與本文的計(jì)算結(jié)果相吻合。

因此，可以推測(cè)CL-20/HMX共混體系的初始分解溫度會(huì)比單組分的初始分解溫度要低。

2.1.3 CL-20與NG的相互作用分析

表4 CL-20、HMX各模型中N—O鍵及C—C鍵的Lave和Lmax

表5 CL-20、NG各模型中N—NO2鍵、O—N鍵、C—N鍵及C—O鍵的Lave和Lmax

2.1.4 CL-20與NC的相互作用分析

表6 CL-20、NG各模型中鍵及C—C鍵的Lave和Lmax

表8 CL-20、NC各模型中鍵及C—C鍵的Lave和Lmax

2.2 DSC法研究CL-20與推進(jìn)劑主要組分之間的相互作用

CL-20與推進(jìn)劑主要組分的單組分體系和50/50-CL-20/推進(jìn)劑主要組分二元混合體系分別在實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行DSC試驗(yàn)，其熱分解曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4(a)中，CL-20單質(zhì)的熱分解發(fā)生在220～262 ℃的溫度范圍內(nèi)，其DSC曲線(xiàn)上只有一個(gè)放熱峰，分解峰溫為253.4 ℃，分解放熱3617 J/g。CL-20在156.0 ℃左右有一個(gè)晶形型變過(guò)程，其α、β和ε3種晶型均轉(zhuǎn)變?yōu)棣眯汀?/p>

RDX在204.9 ℃熔化后立即分解，分解放熱峰溫度241.3 ℃，分解伴隨著迅速的放熱，分解放熱約1384 J/g。由于RDX的分解初始階段即伴隨有液化和升華，其受熱過(guò)程中在固相、液相和氣相均出現(xiàn)分解現(xiàn)象。

從CL-20和RDX混合體的DSC曲線(xiàn)上可看出，CL-20與RDX的混合體系的DSC曲線(xiàn)是部分相互重疊的雙峰，RDX與CL-20相互作用的結(jié)果，明顯改變了CL-20的分解過(guò)程。RDX分解初始階段以氣相分解為主，其分解產(chǎn)物甲醛與羥甲基甲酸胺對(duì)RDX和CL-20的分解有促進(jìn)作用，使CL-20的分解峰溫明顯降低，同時(shí)由于RDX的初始分解過(guò)程提前，分解產(chǎn)物的存在,使RDX的液化過(guò)程提前，RDX的熔化峰溫度降低，由204.9 ℃降到192.0 ℃。

圖4(b)中，HMX和CL-20相同，是一個(gè)多晶型化合物，4種晶型的穩(wěn)定性次序是β>α>γ>δ。室溫下β晶型最穩(wěn)定，約在194.2 ℃發(fā)生β→γ晶型的轉(zhuǎn)變，280.5 ℃熔化，熔化的同時(shí)就開(kāi)始劇烈的放熱分解，此時(shí)的熔化吸熱被快速的放熱所掩蓋。在HMX的DSC曲線(xiàn)上能看到HMX小的熔化吸熱峰，分解放熱峰溫為285.5 ℃。HMX的分解放熱速度很快，DSC曲線(xiàn)上呈陡峭的尖峰。

CL-20和HMX的混合體系的DSC曲線(xiàn)中，CL-20/HMX混合體系的分解曲線(xiàn)是相互獨(dú)立的雙峰，前者分解劇烈的是CL-20的分解，峰溫為243.0 ℃，后者是HMX的分解，峰溫為284.1 ℃。在混合體系的分解曲線(xiàn)上,可明顯看到CL-20和HMX仍保持著各自的分解特性，但由于HMX的存在，CL-20的分解峰溫明顯降低，由單質(zhì)受熱時(shí)的253.4 ℃提前至混合體系中的243.0 ℃快速分解。HMX的熔化吸熱峰被CL-20的分解放熱所掩蓋，在280.5 ℃看不到明顯的吸熱峰，其分解峰溫沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

圖4(c)中，NG在常壓條件下受熱，155 ℃有一個(gè)明顯的因揮發(fā)而產(chǎn)生的吸熱峰，沒(méi)有放熱峰。在CL-20和NG混合體系的DSC曲線(xiàn)上可看到，當(dāng)溫度升到133.2 ℃時(shí)NG揮發(fā)加快，在與CL-20轉(zhuǎn)晶吸熱的共同作用下，169.4 ℃處有一個(gè)不明顯的吸熱峰?；旌象w系的分解過(guò)程中，由于NG的影響，CL-20的分解峰溫由253.4 ℃拖后至256.2 ℃。

圖4(d)中，NC的熱分解屬于固相分解，在常壓和高壓下只有一個(gè)放熱峰，約在200.0 ℃開(kāi)始分解，熱分解峰溫為209.4 ℃，分解放熱約為2 171 J/g。

在CL-20和NC的混合體系的DSC曲線(xiàn)上可明顯看到，混合體系的分解曲線(xiàn)是相互獨(dú)立的雙峰，前者為NC的快速分解，峰溫210.5 ℃，后者為CL-20的分解，峰溫253.9 ℃；154.0 ℃處的小吸熱峰為CL-20的轉(zhuǎn)晶過(guò)程。

由以上結(jié)果分析可知，CL-20與RDX、HMX均具有較強(qiáng)的相互作用，混合后熱分解峰溫提前；CL-20與NG、NC沒(méi)有明顯的化學(xué)作用，混合后熱分解峰溫變化不明顯。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前期理論計(jì)算結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

(1)CL-20與RDX、HMX混合體系的引發(fā)鍵N—NO2鍵Lmax隨溫度升高顯著的單調(diào)遞增，且當(dāng)CL-20與RDX、HMX共混后，鍵長(zhǎng)普遍增大，更易斷裂分解?？赏茰y(cè)CL-20/RDX共混體系和CL-20/HMX共混體系的初始分解溫度會(huì)比單組分的初始分解溫度要低。

(2)CL-20與NC、NG共混后各個(gè)鍵長(zhǎng)均與單質(zhì)狀態(tài)下存在時(shí)的鍵長(zhǎng)相比變化不大，甚至于一些鍵長(zhǎng)均小于其單質(zhì)狀態(tài)下存在時(shí)的鍵長(zhǎng)，推測(cè)CL-20與NG、NC混合后穩(wěn)定性較好，不易發(fā)生鍵的斷裂分解，即分解峰溫不會(huì)提前。

(3)DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：CL-20與RDX、HMX均具有較強(qiáng)的相互作用，混合后熱分解峰溫提前；CL-20與NG、NC沒(méi)有明顯的化學(xué)作用，混合后熱分解峰溫變化不明顯。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前期理論計(jì)算結(jié)果相吻合。

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(編輯：劉紅利)

Interaction of CL-20 with solid propellant components by molecular dynamics simulation andthermal analysis method

QU Bei,TANG Qiu-fan,LI Ji-zhen,FAN Xue-zhong,ZHANG Zheng-zhong

(Xi'an Modern Chemistry Research Institute，Xi'an 710065，China)

The interactions between hexanitrohexaazaisowurtzitane (CL-20) and other solid propellant components has been studied by using molecular dynamics simulations (MD) and differential scanning calorimetry (DSC).The experimental results were analyzed in comparison to the theoretical bond length variation tendency.It has been indicated by the MD calculation results that the maximum bond lengths (Lmax) of the N-NO2trigger bond were increased monotonously with the elevated temperature for both pristine CL-20 and RDX/HMX mixture.Besides,longer bond lengths have been observed when CL-20 was mixed with RDX and HMX,suggesting an easier decomposition reaction.However,little change of the bond lengths occurred when CL-20 was mixed with NG/NC,and more importantly,several bonds became shorter.It could be inferred better stability of CL-20 when it was mixed with NG/NC,and it was more difficult to decompose.It's indicated from the DSC results that there were strong interactions between CL-20 and both RDX and HMX,when the temperature was higher than 156 ℃.There were no obvious interactions between CL-20 with NG/NC.

molecular dynamics simulations;hexanitrohexaazaisowurtzitane(CL-20);solid propellants; interaction

2016-07-18；

2016-08-08。

火炸藥預(yù)研項(xiàng)目(40406010301)。

屈蓓(1987—)，女，助理研究員，從事推進(jìn)劑配方及工藝研究。E-mail：525482693@qq.com

V512

A

1006-2793(2017)04-0476-08

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.04.014