硝基甲烷和TATB含能材料中氢键的高温高压弛豫
发布时间：2021-08-29 21:45
含能材料在国防安全、经济建设和社会发展等众多领域中具有广泛应用。一直以来关于含能材料分子的研究都集中于如何在保证安全性的前提下提高爆轰性。含能材料分子主要是基于CHON组成的有机分子,不仅存在分子间的非键弱作用又有分子内强键作用,而且两者还存在强耦合相互作用。本论文将拓展冰水的氢键协同弛豫理论,结合高温高压拉曼光谱、差分声子谱学探究含能材料中的分子间与分子内键合作用机制。以及通过扩展格林奈森参数将声子频移与压缩系数、热膨胀系数、比热、平衡键长、原子内聚能和单键的键能密度联系起来,为调控含能材料分子感度和猛度提供可能的理论指导。主要研究内容和结果如下:（1）NM/H2O混合溶液分子间的键合作用:基于氢键分段协同弛豫理论、分子强极化和差分声子谱学方法,结合拉曼光谱、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）和超快布里渊区散射技术,探究了氢键分段弛豫理论在NM/H2O水合溶液氢键结构中的适用性,以及分子间强极化作用导致NM和H2O特征振动模式的频移变化。此外,通过对比各特征振动模式声子寿命的大小,溶质和溶剂声速的大小,明确了分子间键合...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
含能材料基因组(CHNO)与生物基因组组成对照含能材料通常是由CNOH为基础原子形成的有机化合物，如图1.1所示
趸?淄椤⒎肿尤毕莺涂瘴坏募跎俨蛔阋杂跋旆肿蛹し⑻?娜炔季帧?在这些条件下，分子会重新排列，使得分子发生几何畸变。这很方便分子沿着C—N键轴运动，可以最小化调整分子上的应力。美国高能材料研究实验室，研究了NM的冲击加热机理、反应区形成机理、热点形成机理、半金属层形成机理和射流引发机理。阐明了反应区的光学特性、冲击波曲率、冲击波的变幅和敏化剂对起爆硝基甲烷的影响。以及NM粉体与DETA、EDA、甲醇、三硝基苯、氨水、二氧化硅、碳化硼等添加剂的混合物，介绍了超爆现象、爆轰极限和爆轰特性参数[39]。图1.2CH3NO2热解反应过程示意图硝基化合物分子通常具有偶极-偶极和分子间氢键相互作用。硝基甲烷是含能材料中分子间相互作用和激波反应的液体材料之一，其在激波压缩发展研究较多。NM在静态条件下的爆轰压力和温度，分别为13GPa和2000K。在17GPa下观察到逐步冲击载荷的实质性反应[60,61]。在硝基甲烷中，无论是氢键的形成还是NM反应的发生，硝基基团都起着关键作用。哈佛大学和剑桥大学学者研究了静压和分子空位对典型固体硝基甲烷晶体结构、原子构型和电子结构的影响。发现对晶体施加压力并不会导致与硝基弯曲相关的带隙急剧减小问题。为了缓解外部施加的压力，硝基和甲基会发生一定程度的旋转变化。另一方面，爆炸前的化学反应强烈地依赖于压力导致的各向异性。有研究人员利用分子动力学和ReaxFF反应立场研究硝基甲烷对冲击载荷的热机械、化学和光谱响应。阐明了最初的分解主要是产生硝基甲烷的双分子反应，这与在高压下单分子反应减少的实验观察一致[62-64]。中国科学技术大学同步辐射中心，研究了硝基甲烷的热解和氧化的动力学过程。根据敏感性分析，漫游介导的异聚反应是热解过程中最重要的促进步骤，其中C—
湘潭大学硕士学位论文71.3所示。图1.3金刚石高压示意图DAC现在的广泛应用，部分是由于红宝石荧光法在压力测试和应力表征方面的可用性[96-100]。这种光学压力传感方法在概念和技术上的简单性继续吸引着越来越多的用户使用DAC进行基于实验室的高压研究，在同步加速器光源的高压实验中，使用红宝石探头进行压力测量仍然是最常用的技术。红宝石是一种含铬的红色刚玉。铬掺杂刚玉会导致基体晶格的轻微膨胀，结构高度细化，晶格变形几乎是各向异性，因此可以作为定压标准[101-105]。对于液体样品，不需要传压介质，液体本身具有流动性，在受到压缩刺激时，由于存在各向同性，不会在样品中产生单轴应力和应变，因此液体材料自身为传压介质。而对于固体物质而言，为了保护金刚石和样品，需要放入传压介质。如果测试非静水压的样品时，需要用样品将压力腔体完全填充，并进行多次压缩，确保腔体中的孔隙最小，样品密实度大。而对于静水压而言，测试中需要传压介质，如硅油，甲乙醇混合液等物理性质优良的传压介质。压力诱导在固态含能材料热分解机理和动力学中的作用是非常重要的。压力作用能加速异相和气相反应，并能抑制体积增大。含能材料对于刺激响应的机理，国内外已经进行了广泛的研究[106]。美国伊利诺大学的Dloot[107,108]和国内的中国工程物理研究院利用超快飞秒光谱技术对典型含能材料进行了研究，获得了不同含能材料的不同特征振动模式的声子寿命。通过对振动模式的激发，探测振动激发态的振动动力学，明确键激发导致含能分子爆炸的过程。热分析是在高温下对试样进行物理和化学反应机制分析的重要手段。物质在受热过程中发生化学和物理性能的变化，通过研究物理和化学性质在温度下变化规律，可以探索物质宏观现象和微观结构之间?
【参考文献】：
期刊论文
[1]冲击高压下硝基甲烷的拉曼光谱及其结构稳定性[J]. 王亚平,刘福生,刘其军,钟小峰,郝斌斌. 原子与分子物理学报. 2016(04)
[2]新型叠氮-均三嗪类含能化合物的合成与表征[J]. 张玉根,王志鑫,程广斌,吕春绪,杨红伟. 火炸药学报. 2016(03)
[3]含能材料研发的新模式——含能材料基因组研究计划（EMGI）[J]. 张朝阳. 含能材料. 2016(06)
[4]含能材料的从头算分子动力学模拟[J]. 郑朝阳,赵纪军. 高压物理学报. 2015(02)
[5]高温拉曼光谱技术的实现及应用[J]. 陈辉,蒋国昌,尤静林,吴永全. 光谱学与光谱分析. 2007(12)
[6]固体推进剂综合感度模糊评价法[J]. 李军,赵孝彬,王晨雪,林净,卫立夏. 固体火箭技术. 2007(04)
本文编号：3371441
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
含能材料基因组(CHNO)与生物基因组组成对照含能材料通常是由CNOH为基础原子形成的有机化合物，如图1.1所示
趸?淄椤⒎肿尤毕莺涂瘴坏募跎俨蛔阋杂跋旆肿蛹し⑻?娜炔季帧?在这些条件下，分子会重新排列，使得分子发生几何畸变。这很方便分子沿着C—N键轴运动，可以最小化调整分子上的应力。美国高能材料研究实验室，研究了NM的冲击加热机理、反应区形成机理、热点形成机理、半金属层形成机理和射流引发机理。阐明了反应区的光学特性、冲击波曲率、冲击波的变幅和敏化剂对起爆硝基甲烷的影响。以及NM粉体与DETA、EDA、甲醇、三硝基苯、氨水、二氧化硅、碳化硼等添加剂的混合物，介绍了超爆现象、爆轰极限和爆轰特性参数[39]。图1.2CH3NO2热解反应过程示意图硝基化合物分子通常具有偶极-偶极和分子间氢键相互作用。硝基甲烷是含能材料中分子间相互作用和激波反应的液体材料之一，其在激波压缩发展研究较多。NM在静态条件下的爆轰压力和温度，分别为13GPa和2000K。在17GPa下观察到逐步冲击载荷的实质性反应[60,61]。在硝基甲烷中，无论是氢键的形成还是NM反应的发生，硝基基团都起着关键作用。哈佛大学和剑桥大学学者研究了静压和分子空位对典型固体硝基甲烷晶体结构、原子构型和电子结构的影响。发现对晶体施加压力并不会导致与硝基弯曲相关的带隙急剧减小问题。为了缓解外部施加的压力，硝基和甲基会发生一定程度的旋转变化。另一方面，爆炸前的化学反应强烈地依赖于压力导致的各向异性。有研究人员利用分子动力学和ReaxFF反应立场研究硝基甲烷对冲击载荷的热机械、化学和光谱响应。阐明了最初的分解主要是产生硝基甲烷的双分子反应，这与在高压下单分子反应减少的实验观察一致[62-64]。中国科学技术大学同步辐射中心，研究了硝基甲烷的热解和氧化的动力学过程。根据敏感性分析，漫游介导的异聚反应是热解过程中最重要的促进步骤，其中C—
湘潭大学硕士学位论文71.3所示。图1.3金刚石高压示意图DAC现在的广泛应用，部分是由于红宝石荧光法在压力测试和应力表征方面的可用性[96-100]。这种光学压力传感方法在概念和技术上的简单性继续吸引着越来越多的用户使用DAC进行基于实验室的高压研究，在同步加速器光源的高压实验中，使用红宝石探头进行压力测量仍然是最常用的技术。红宝石是一种含铬的红色刚玉。铬掺杂刚玉会导致基体晶格的轻微膨胀，结构高度细化，晶格变形几乎是各向异性，因此可以作为定压标准[101-105]。对于液体样品，不需要传压介质，液体本身具有流动性，在受到压缩刺激时，由于存在各向同性，不会在样品中产生单轴应力和应变，因此液体材料自身为传压介质。而对于固体物质而言，为了保护金刚石和样品，需要放入传压介质。如果测试非静水压的样品时，需要用样品将压力腔体完全填充，并进行多次压缩，确保腔体中的孔隙最小，样品密实度大。而对于静水压而言，测试中需要传压介质，如硅油，甲乙醇混合液等物理性质优良的传压介质。压力诱导在固态含能材料热分解机理和动力学中的作用是非常重要的。压力作用能加速异相和气相反应，并能抑制体积增大。含能材料对于刺激响应的机理，国内外已经进行了广泛的研究[106]。美国伊利诺大学的Dloot[107,108]和国内的中国工程物理研究院利用超快飞秒光谱技术对典型含能材料进行了研究，获得了不同含能材料的不同特征振动模式的声子寿命。通过对振动模式的激发，探测振动激发态的振动动力学，明确键激发导致含能分子爆炸的过程。热分析是在高温下对试样进行物理和化学反应机制分析的重要手段。物质在受热过程中发生化学和物理性能的变化，通过研究物理和化学性质在温度下变化规律，可以探索物质宏观现象和微观结构之间?
【参考文献】：
期刊论文
[1]冲击高压下硝基甲烷的拉曼光谱及其结构稳定性[J]. 王亚平,刘福生,刘其军,钟小峰,郝斌斌. 原子与分子物理学报. 2016(04)
[2]新型叠氮-均三嗪类含能化合物的合成与表征[J]. 张玉根,王志鑫,程广斌,吕春绪,杨红伟. 火炸药学报. 2016(03)
[3]含能材料研发的新模式——含能材料基因组研究计划（EMGI）[J]. 张朝阳. 含能材料. 2016(06)
[4]含能材料的从头算分子动力学模拟[J]. 郑朝阳,赵纪军. 高压物理学报. 2015(02)
[5]高温拉曼光谱技术的实现及应用[J]. 陈辉,蒋国昌,尤静林,吴永全. 光谱学与光谱分析. 2007(12)
[6]固体推进剂综合感度模糊评价法[J]. 李军,赵孝彬,王晨雪,林净,卫立夏. 固体火箭技术. 2007(04)
本文编号：3371441
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